Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bàn tay Robot mềm

Đồ án tốt nghiệp xuất sắc sinh viên trường BKHN năm 2021Giải thưởng NCKH Tổng quan về bàn tay robot. Thiết kế chế tạo bàn tay mềm. Mô phỏng ngón tay. Xử lý ảnh.ngôn ngữ lập trình C thiết kế giao diện điều khiểncho bàn tay, dùng phần mềm mô phỏng Abaqus để mô phỏng ngón tay và dùngngôn ngữ lập trình Python để xử lý ảnh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bàn tay Robot

mềm Chuyên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử

Giảng viên hướng dẫn: TS Hoàng Hồng Hải

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHÍA VIỆT

NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Lê Văn Duy

I/ ĐỀ TÀI THIẾT KẾ

“Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bàn tay Robot mềm” II/ CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU

- Thiết kế chế tạo bàn tay mềm.

- Thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển.

- Mô phỏng phần tử hữu hạn trong ngón tay

III/ NỘI DUNG THUYẾT MINH VÀ TÍNH TOÁN

- Tổng quan về bàn tay robot.

- Thiết kế chế tạo bàn tay mềm.

- Mô phỏng ngón tay.

- Xử lý ảnh.

IV/ CÁC BẢN VẼ VÀ ĐỒ THỊ

- Bản vẽ thuật toán và chế tạo(A0)

- Bản vẽ lắp và bản vẽ chi tiết (A0)

- Bản vẽ sơ đồ điều khiển và khí nén (A0)

V/ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Hoàng Hồng Hải

VI/ NGÀY GIAO NHIỆM VỤ THIẾT KẾ: 06/10/2020

VII/ NGÀY HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN: 30/12/2020

2021Giảng viên hướng dẫn

Đánh giá của giảng viên hướng dẫn

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Kết quả đánh giá Hà Nội, ngày tháng năm

Lê Văn Duy

Vũ Tiến Dũng

Giảng viên hướng dẫn

Đánh giá của giảng viên phản biện

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Kết quả đánh giá Hà Nội, ngày tháng năm 2020

Lê Văn Duy

Vũ Tiến Dũng

Giảng viên phản biện

LỜI CẢM ƠN

Trải qua 5 năm học tập tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, thầy cô đã trang

bị cho chúng em những kiến thức không chỉ về chuyên môn mà còn cả của đờisống, sẽ là những hành trang quý giá cho quãng đường tương lai của chúng em.Sau những đồ án và BTL đã làm trong suốt 5 năm qua, thì hôm nay chúng emcũng bắt tay vào làm môn đồ án cuối của thời sinh viên Đồ án tốt nghiệp khôngchỉ là một phần trong chương trình học mà nó còn là điều kiện để bọn em có thể

áp dụng những kiến thức đã học vào thực tế để từ đó bọn em có thể tự đánh giáđược kết quả 5 năm học tập của bản thân Chính vì vậy nó cũng là tổng hợpnhững tích lũy kiến thức của chúng em

Qua đây chúng em cũng xin được gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến các thầy côtrong nhà trường, trong viện Cơ khí, bộ môn Cơ điên tử, và đặc biệt là TS HoàngHồng Hải, người đã luôn sát cánh và giúp đỡ chúng em trong kì học vừa qua Emchúc tất cả các thầy cô luôn mạnh khỏe, tràn đầy nhiệt huyết để có thể dạy bảocác thế hệ sinh viên tiếp theo Cảm ơn gia đình đã luôn tin tưởng và hy vọng, lànguồn động lực để chúng con có thể vươn lên trong học tập và cuộc sống

Về phần cứng, nhóm thiết kế và chế tạo bàn tay mềm cùng hệ thống điềukhiển khí nén cho bàn tay có thể gắp, nhả vật theo yêu cầu.

Về phần mềm, nhóm dùng ngôn ngữ lập trình C# thiết kế giao diện điều khiểncho bàn tay, dùng phần mềm mô phỏng Abaqus để mô phỏng ngón tay và dùngngôn ngữ lập trình Python để xử lý ảnh Kết quả bước đầu mô hình đã được chếtạo thành công, nhưng yêu cầu về tải trọng và tính chính xác chưa đáp ứng được.Đây là đề tài có tính ứng dụng thực tế cao trong cách mạng công nghiệp 4.0, hứahẹn là một đề tài thiết thực và bổ ích đối với những sinh viên như chúng em Hyvọng sau khi kết thúc đồ án này, các nhóm sau sẽ nghiên cứu và phát triển thêm

để đạt được mục tiêu đã đưa ra Qua đồ án này chúng em đã học hỏi được kiếnthức về lập trình, các thiết bị điện tử, mô phỏng và hệ thống khí nén Đồng thờinâng cao kỹ năng tin học văn phòng, thuyết trình, tạo cho mỗi người chúng emtinh thần nghiên cứu nỗ lực hoàn thiện sản phẩm với tinh thần cống hiến hếtmình cho xã hội và đất nước

MỤC LỤC

CHƯƠNG 4 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 30

Danh mục hình ảnh

Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển bộ kẹp 30

Hình 5.13 Hình chiếu của mô hình đặt vật và các hệ qui chiếu theo phương thẳng

Danh mục bảng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÀN TAY ROBOT MỀM

1.1 Tổng quan về bàn tay Robot

Bàn tay robot là bàn tay được nghiên cứu và thiết kế nhằm thực hiện các thaotác khéo léo và linh hoạt giống như con người chúng ta có thể làm Giống nhưbàn tay người, bàn tay robot cũng có 5 ngón là: ngón cái, trỏ, giữa, nhẫn và út.Trong đó, ngón cái là ngón tay linh hoạt nhất và có thể dễ dàng xoay gập tạinhiều vị trí và hướng khác nhau Ngón út và nhẫn là 2 ngón bị động và thường sẽgập lại hoặc duỗi ra theo cử động của ngón giữa Tuy nhiên, việc xây dựng môhình bàn tay robot và sử dụng một bộ điều khiển thông thường là rất khó khăn,

do cấu trúc của bàn tay người khá là phức tạp

Hiện nay, khi khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển, mối quan tâm của conngười ngày càng tăng đối với việc phát triển bàn tay robot và cũng đã có thànhtựu nhất định trong những năm qua, do nền tảng ứng dụng rộng rãi như:

1 Bàn tay robot cho người khuyết tật

2 Bàn tay robot gắp và thả vật trong nhà máy sản xuất

3 Bàn tay robot cho robot dạng người (như robot Asimo của Nhật Bản,robot Atlas của Boston Dynamics – Mỹ)

4 Bàn tay robot bắt chước cử chỉ của người điều khiển

Hình 1.1 Bàn tay robot cho người khuyết tật

Hình 1.2 Bàn tay robot thông thường

1.2 Phân loại bàn tay robot

Hiện nạy trên thế giới có rất nhiều bàn tay robot được chế tạo và công bố như:Shadow Hand (phát triển bởi công ty Shawdow Robot, Lodon, England) hayKanguera (phát triển tại đại học São Paulo, Brazilian) chạy trên hệ điều hành mởVxWorks

Hình 1.3 Shadow Hand (a) và Kanguera Hand (b)

1.2.2 Bàn tay 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 Soft robotics được hìnhthành từ cách các sinh vật sống di chuyển và thích ứng với môi trường xungquanh Trái ngược với robot cứng, robot mềm cho phép tăng tính linh hoạt và khảnăng thích ứng để hoàn thành nhiệm vụ, cũng như cải thiện độ an toàn khi làmviệc xung quanh con người Những đặc điểm này chứng tỏ được tiềm năng ứngdụng 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

1.3 Một số loại bàn tay robot mềm thực tế

1.3.1 Bàn tay Robot mềm trong nghiên cứu

Hình 1.4 Bàn tay Robot trong nghiên cứu

Bàn tay mềm dùng trong nghiên cứu với mục đích giúp cho học sinh, sinhviên tìm hiểu chế tạo và điều khiển bàn tay mềm trong học tập và nghiên cứu

1.3.2 Bàn tay Robot mềm dùng trong công nghiệp.

Hình 1.5 Bộ kẹp mềm ứng dụng trong thực phẩm

Hình 1.6 Robot ứng dụng bộ kẹp mềm trong gắp trứng

Sản phẩm đã được ứng dụng trong ngành thực phẩm và thương mại hóa trênthị trường với yêu cầu về tải trọng và độ chính xác cao

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ CHẾ TẠO BÀN TAY MỀM

2.1 Tổng quan bàn tay mềm

Cánh tay robot hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành côngnghiệp gia công, chế tạo, đóng gói và đã hỗ trợ đắc lực cho con người, giúpcông việc thực hiện nhanh chóng và năng suất dù trong những môi trường khắcnghiệt mà con người khó có thể tiếp cận Nhưng cánh tay robot hiện nay khôngthường sử dụng trong các lĩnh vực nông nghiệp, thủy sản, quần áo, bao bì vàcông nghiệp thực phẩm Những lĩnh vực đó đòi hỏi những tính năng đặc thù hơn

ở cánh tay robot, cụ thể là tính di động của robot, dễ sử dụng cho công nhân, đảmbảo an toàn cho thực phẩm

Những năm gần đây, bộ gắp robot mềm bằng khí nén đã thu hút sự chú ý củacác nhà nghiên cứu vì tính đàn hồi và khả năng thích ứng với nhiều loại đốitượng Công trình tiên phong trong việc phát triển bộ gắp mềm bằng khí nénđược thực hiện bởi Suzumori vào những năm 90 thế kỉ trước bằng việc sử dụngkẹp 4 phía bằng cao su và đã đạt được nhiều kết quả hứa hẹn.Với việc thay đổithường xuyên hình dạng của các sản phẩm thực phẩm, các khâu cuối cần có độthích ứng cao để đáp ứng nhu cầu về sự thay đổi liên tục hình dạng của các sảnphẩm trong ngành thực phẩm Do đó chúng em đề xuất cánh tay robot sử dụngngón tay mềm, ngón tay mềm được làm bằng chất liệu đàn hồi cao có thể gắpnhiều loại vật có hình dáng khác nhau, đảm báo không làm hư hỏng các sảnphẩm dễ dập nát trong ngành thực phẩm như bánh kẹo, trái cây, trứng, cơmhộp

2 Cầm được vật có kích thước tối đa 10x10x10 cm3

3 Khối lượng của vật nhỏ hơn 1 kg

4 Có tính thẩm mỹ

2.2.1 Thiết kế ngón tay mềm

Việc thiết kế và chế tạo ngón tay dựa theo thiết kế ngón tay Pneunet và hãngsoft robotics toolkit Tuy nhiên, để đơn giản hơn trong việc chế tạo, chúng em đãloại bỏ “lớp giới hạn ứng suất” trong ngón tay Pneunet (một lớp giấy hình chữnhật đặt bên trong ngón tay)[2]

Nguyên lý hoạt động của ngón tay mềm: khí dẫn khí có áp suất dương vào các

khoang bên trong của ngón tay mềm, do đặc tính giãn nở tốt của silicon, cáckhoang chứa căng và phồng ra làm cho phần đế ngón tay bị uốn cong về phíangược lại với các khoang, giúp chúng có thể nắm chặt các vật cần gắp

Hình 2.2 Cơ chế hoạt động ngón tay

Bộ phận chính của ngón tay mềm gồm:

● Thân ngón tay: gồm 12 khoang chứa khí, thành bên ngoài giữa các khoangcách nhau 1mm, 1 khoang lớn phía cuối ngón tay có chiều dày 3 mm vàrãnh dẫn khí đặt chính giữa phía dưới các khoang

● Đế ngón tay: là tấm mỏng, có chiều dày 5mm, phía dưới có các rãnh nhấpnhô

Các thông số kích thước của ngón tay được biểu diễn như hình …

Hình 2.3 Kết cấu ngón tay mềm

Ưu điểm của thiết kế trên:

o Khoảng cách giữa 2 khoang nhỏ (1,5 mm), tạo điều kiện thuận lợi cho quátrình căng ra của ngón tay (theo bài báo …) Đồng thời khi gắp vật có kíchthước lớn hơn, ngón tay có thể dễ dàng co lại nhằm mở rộng vùng gắp vật

o Phần đế của ngón tay nhằm mục đích đảm bảo đường dẫn khí đến giác hútđược kín Giúp ngón tay dễ dàng gắp các vật cần thiết

o Khoang cuối có kích thước lớn hơn các khoang còn lại, làm cho đầu cuốingón tay cứng hơn phần còn lại, giúp bắt chước chức năng móng tay của conngười

o Rãnh sâu tiết diện ngang 1,2mm x 2.4mm thiết kế phía dưới các khoang giúpdẫn khí đến toàn bộ khoang của ngón tay

o Lỗ có đường kính 4mm thông với khoang đầu tiên (từ trên xuống dưới) củangón tay nhằm đặt 1 ống cao su dẫn khí đi vào

o Cấu trúc gợn song phần đế ngón tay bắt chước vân tay của con người, giúpngón tay mềm dễ dàng cầm nắm các vật hơn

Nhược điểm:

o Quy trình chế tạo phức tạp

o Vật liệu có giá thành cao

2.2.2 Thiết kế giá đỡ ngón tay

Vật liệu và phương pháp chế tạo

Đầu nối và đế kẹp ngón tay được chế tạo bằng công nghệ in 3D FDM và vậtliệu là nhựa ABS Công nghệ in 3D hiện nay đang rất phổ biến và thường được

áp dụng cho việc chế tạo thử các chi tiết hay bộ phận cần thiết Hơn nữa, phươngpháp in 3D có thể thực hiện được ở tất cả các loại mẫu thiết kế không bị hạn chếbởi độ phức tạp của bề mặt hay độ khó về cấu trúc thiết kế Máy in 3D áp dụngtheo công nghệ in FDM hoạt động bằng cách nung chảy và đùn sợi nhựa nhiệtdẻo, đầu phun chạy theo tiết diện mặt cắt được tạo bởi phần mềm cắt lớp Bànmáy in hạ xuống hoặc vòi phun nâng lên từng lớp từng lớp trong không gian làmviệc, từ đó hình thành chi tiết với từng lớp được in liên tiếp xếp chồng lên nhau

FDM sử dụng nhiều loại khác nhau sợi nhựa nhiệt dẻo tiêu chuẩn, chẳng hạn nhưABS, PLA, TPU và các loại sợi nhựa khác Công nghệ này rất phù hợp cho kiểmtra ngoại quan, ý tưởng, cũng như tạo mẫu nhanh Và chi phí thấp cho các sảnphẩm đơn giản.

Nhựa ABS có các đặc tính như cứng và không giòn, có sự cân bằng tốt giữa

độ bền kéo, va đập, độ cứng bề mặt, độ rắn, độ chịu nhiệt và các đặc tính về điện,

Có tính chất đặc trưng là độ bền cơ học cao, độ cứng cao, khả năng chịu va đậpkhông giảm nhanh ở nhiệt độ thấp, độ ổn định dưới tải trọng rất tốt, ABS chịunhiệt tương đương hoặc tốt hơn Acetal, PC…ở nhiệt độ phòng

Hình 2.4 Thông số nhựa ABS

Đầu nối cứng

Đầu nối cứng gồm 2 phần: nửa trên và nửa dưới như trong Hình 2.5 Đầu nốicứng Thiết kế đầu nối cứng cần đảm bảo khi gắn ngón tay robot vào đầu nối thìngón tay phải được giữ cố định

Hình 2.5 Đầu nối cứng

Trong quá trình lắp ráp, ngón tay mềm được lắp vào nửa dưới, lỗ dẫn khí lắpxuyên qua lỗ phía trên của đầu nối Sau đó, nửa dưới của đầu nối được lắp lênphía trên của ngón tay, 2 phần của đầu nối được cố định với nhau bằng vít và ốc.Chiều rộng của khoang được thiết kế nhỏ hơn 1mm so với ngón tay mềm, do đóngón tay có thể cố định chặt sau khi ghép nối 2 đầu nối trên dưới với nhau.

Đế kẹp

Hình 2.6 Đế kẹp ngón tay

Đế kẹp được thiết kế gồm các lỗ vuông tại đầu dưới để thể lắp phần đầu nốicứng chứa các ngón tay, đồng thời mặt trên của đế kẹp có 4 lỗ dùng để cố định đếkẹp vào điểm thao tác cuối của robot

Do yêu cầu cần gắp các vật tròn hoặc vuông dạng khối, chúng em thiết kếphần đế kẹp có 3 đầu phân bố đều theo hình tròn Kết nối giữa đế kẹp với đầu nốibằng cơ chế khóa nhanh giúp việc lắp ráp thuận tiện và đơn giản hơn Việc chỉdùng 3 ngón tay mềm cho 1 bàn tay kẹp vì đây là số ngón tay tối thiếu cho việccầm nắm ổn định Sự ổn định sẽ tăng lên khi tăng số ngón tay mềm của bàn tay.Các ngón tay và giá đỡ được lắp ghép với nhau như hình:

Hình 2.7 Kết cấu bàn tay robot

2.3 Chế tạo ngón tay mềm

2.3.1 Phương pháp chế tạo và vật liệu cần thiết

2.3.1.1 Phương pháp chế tạo

Việc chế tạo ngón tay mềm hiện nay có 2 phương án phổ biến là:

● Phương pháp đúc khuôn truyền thống (1)

● Phương pháp in 3D vật liệu Silicon (2)

Phương án (1) được thực hiện qua các bước như sau:

o Thiết kế và chế tạo khuôn đúc ngón tay mềm bằng phương pháp in 3Dnhựa

o Đổ dung dịch silicon vào khuôn và chờ dung dịch lắng đọng để tạo vật cầnđúc hoàn chỉnh

o Ghép các phần khác nhau tạo ra ngón tay như thiết kế

Phương án (2) là sử dụng máy in 3D đa dạng vật liệu in (ví dụ như máy inObjet350 Connex3 của hãng Stratasys, Minnesota, USA hay máy in Agilista củahãng Keyence, Japan) để in trực tiếp ngón tay mềm Việc chế taọ bằng phươngpháp (2) sẽ cho độ chính xác cao hơn phương án (1) do việc chế tạo đơn giảnhơn Tuy nhiên, hiên nay ở Việt Nam có rất ít những loại máy in 3D này, hơn nữagiá thành cho việc chế tạo ngón tay bằng in 3D vật liệu Silicon cũng rất cao.Kết luận:

Từ những nhận xét trên, chúng em chọn phương pháp đúc khuôn truyền thống

để chế tạo ngón tay mềm do giá thành và độ phổ biến của phương pháp này tốthơn phương án số (2)

Hình 2.8 Máy in 3D đa dạng vật liệu

từ mặt nạ da và các ứng dụng đặc biệt khác trong phim ảnh đến tạo khuôn sảnxuất để đúc nhiều loại vật liệu Bởi vì về các đặc tính vật lý vượt trội và tính linh

phận giả và các thiết bị y tế Cao su silicon Dragon Skin™ cũng được sử dụngcho nhiều ứng dụng khác nhau trong công nghiệp và có phạm vi nhiệt độ hoạtđộng là không đổi -53 ° C đến + 232 ° C.

Cao su silicon Dragon Skin™ cũng có thể có nhiều màu sắc bằng cách trộncác bột màu Silc Pig hoặc Cast Magic Cao su đã đóng rắn cũng có thể sơn bằng

hệ thống Psycho Paint Vật liệu silicon đã đóng rắn đảm bảo an toàn cho da và đãđược kiểm chứng tại nhiều phòng thí nghiệm độc lập với nhau Dragon Skin™được trộn với nhau theo tỷ lệ 1A:1B về khối lượng hoặc thể tích Dung dịch cao

su lỏng có thể mỏng hơn cùng với Silicon Thinner hoặc THI-VEX Cao su đóngrắn ở nhiệt độ phòng 23oC hoặc 73oF Nên sử dụng máy hút chân không để giảmtối thiểu bọt khí trong cao su đóng rắn

Thời gianchết

Hình 2.11 Khuôn chế tạo ngón tay

Các nguyên liệu khác

Bơm chân không và buồng chân không: để khử bọt khí bên trong hỗn hợpsilicon

Cân tiểu ly: đong chính xác về khối lượng silicon mỗi phần.

Găng tay vinyl: ngăn silicon dây ra tay.

Máy khoan cầm tay: tạo lỗ trên khuôn in 3D

Cốc nhựa: đựng dung dịch silicon

Đũa: khuấy dung dịch silicon

Ống nhựa: dẫn khí tới ngón tay

Vít: cố định hai mảnh của khuôn

Keo silicon: dính kín ngón tay trong trường hợp bị rò rỉ khí

2.3.2 Quy trình chế tạo

Hình 2.12 Quy trình chế tạo ngón tay

Tham khảo quy trình chế tạo ngón tay mềm Pneunet của và các chỉ dẫn trongtài liệu về silicon Dragon Skin 10 medium của hãng Smooth-on, chúng em đưa rađược quy trình chế tạo như sau:

B1: Trộn và khử bọt khí dung dịch:

● Đặt cốc đựng lên cân tiểu ly và reset cân về 0g

● Đổ 50g dung dịch Part B vào cốc và trộn kỹ trong 1 phút

● Đổ 50g dung dich Part A vào cốc, khuấy thật đều dung dịch trong 3 phút

và đảm bảo mặt bên và mặt đáy được trộn kỹ một vài lần

● Đưa hỗn hợp đã trộn vào buồng chân không ở áp suất -85 kPa trong 2-3phút, đến khi bọt khí trong dung dịch nổi lên hết và xẹp xuống

B2: Đổ khuôn

● Đổ dung dịch đã khử bọt khí điền đầy vào các khuôn cái

● Đưa các khuôn này vào buồng để khử bọt khí lần hai

● Lắp các khuôn đực vào khuôn cái và cố định chúng bằng vít

● Sau khoảng 5 giờ, silicon đã đóng rắn, gỡ khuôn và lấy ra các phần củangón tay

B3: Ghép nối

● Phủ 1 lớp silicon lỏng đã được khử bọt khí lên trên bề một của đế ngóntay

● Đặt thân ngón tay lên trên đế và cố định bộ khuôn bằng vít

● Đưa ống dẫn khí vào lỗ trên thân ngón tay và dán kín lại bằng silicon lỏng

đã khử bọt

B4: Kết quả

Để sau khoảng 24 giờ, đế và thân ngón tay dính chặt với nhau

Hoàn thành quá trình chế tạo ngón tay mềm

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG NGÓN TAY 3.1 Tổng quan

3.1.1 Lịch sử của phần tử hữu hạn

Hình 3.1 Mô phỏng PTHH mô hình ô tô khi va chạm

Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) là phương pháp được sử dụng rộng rãinhất để giải quyết các bài về mô hình kỹ thuật và toán học PTHH là một phươngpháp số học cụ thể để giải quyết các phương trình đạo hàm riêng của các biếntrong không gian (các bài toán có điều kiện biên) Trong các bài toán kỹ thuật,PTHH thường được sử dụng trong việc phân tích trạng thái ứng suất, biến dạngcác kết cấu cơ khí, các chi tiết trong ô tô, máy bay, tàu thủy, khung nhà cao tầng,dầm cầu, … hay những bài toán về lý thuyết trường như: lý thuyết truyền nhiệt,

cơ học chất lỏng, thuỷ đàn hồi, khí đàn hồi, điện-từ trường PTHH giúp chúng ta

có thể hình dung trực quan độ cứng và độ bền cũng như tiết kiệm tối đa khốilượng vật liệu và giá thành sản phẩm PTHH cũng cho phép hình dung về nơi màcấu trúc bị uốn hay xoắn, chỉ ra sự phân bố ứng suất và chuyển vị trong chi tiết.Hiện nay trên thế giới có rất nhiều phần mềm PTHH nổi tiếng như: ANSYS,ABAQUS, NASTRAN, TITUS, MODULEF, …

3.1.2 Bài toán phần tử hữu hạn trong ngón tay mềm

Trong đồ án này, chúng em sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn Abaqus 2017(SIMULIA, Dassault System, MA) để mô phỏng khả năng co duỗi của ngón tay.Phương pháp phần tử hữu hạn cho phép mô hình hóa chuyển động của ngón taymềm với các thông số kích thước xác định trước mà không cần chế tạo lại và thửnghiệm lại khi thông số trong thiết kế thay đổi

Hình 3.2 Giao diện Abaqus 2017

3.1.2.1 Tổng quan các thành phần của mô hình mô phỏng PTHH

Tương tác cấu trúc chất lỏng (Fluid-structure interaction - FSI) là nghiên

cứu đa vật lý về cách chất lỏng và cấu trúc tương tác với nhau như thếnào Dòng chất lỏng có thể tạo áp suất hoặc tải nhiệt lên kết cấu Nhữngtải trọng này có thể gây ra biến dạng cấu trúc đủ đáng kể để thay đổi dòngchất lỏng Các tác dụng không mong muốn trong sản phẩm của chúng ta

có thể tăng lên khi mức độ tương tác giữa cấu trúc chất lỏng tăng lên.Trong đồ án này, chúng em nghiên cứu về sự tương tác dòng chất khítrong vật liệu cao su siêu đàn hồi

Một thành phần vật liệu: theo như bài báo [1] vật liệu Dragon skin 10

trong Abaqus có thể được đặc trưng như loại vật liệu cao su siêu đàn hồivới các tính chất như: đường cong ứng suất-biến dạng phi tuyến đồng thờivật liệu có độ nén rất thấp, chúng em sử dụng mô hình Yeoh cho môphỏng trên và các thông số vật liệu như sau:

● Các hệ số trong mô hình: C10= 3.6 × 10-2MPa; C20= 2.58 × 10-4

● Áp suất: tác động lên tất cả các bề mặt của các khoang và đường dẫn khíbên trong ngón tay

Ràng buộc tương tác: giữa các mặt liền kề nhau của các khoang trong

B4: Tạo 1 bề mặt gồm các khoang và đường khí bên trong

B5: Đặt tải trọng (trọng lực, áp suất bên trong các khoang) và điều kiện biênB6: Thêm tương tác giữa các bề mặt

B7: Chia lưới và chạy mô phỏng

3.1.2.3 Đơn vị trong Abaqus

Do Abaqus không ghi đơn vị và mặc định sử dụng đơn vị đo lượng hệ SI (mm)như bảng:

3.1.2.4 Chia lưới mô hình

Do chúng em chọn mô hình vật liệu siêu đàn hồi (hyperelastic) nên ta chọnloại phần tử Hybird cho mô hình, bởi phần tử hybrid được sử dụng cho vật liệu

có đặc tính không thể nén được (hệ số Poát-xông = 0,5) hoặc gần như không thểnén được (hệ số Poát-xông > 0,475) Đồng thời, do ngón tay mềm làm bằng vậtliệu silicon siêu đàn hồi nên khi tác dụng lực, mỗi nút bất kỳ trên mô hình sẽ cóchuyển vị và độ võng theo nhiều phương khác nhau, nên chúng em sử dụng môhình phần tử hybird tứ diện bậc hai (C3D10H)

Kích thước mắt lưới lưới nếu quá nhỏ, mô hình sẽ trở nên cứng với độ méolớn Nhưng nếu nó quá lớn, lưới sẽ không vừa với mô hình và sai số lớn hơntrong khi tính toán Sau khi thử mô phỏng với nhiều kích thước lưới khác nhau,chúng em chọn kích thước lưới là 2.5 mm

3.2 Các bước mô phỏng trong phần mềm

3.2.1 Tạo các bộ phận ngón tay và bổ nhiệm vật liệu

Vẽ mô hình các thành phần của ngón tay mềm trên SolidWorks, sau đó xuấtsang định dạng file STEP

Trên phần mềm Abaqus, chọn Part > Import > (tên file).STEP > OK để nhập

mô hình 3D vào phần mềm mô phỏng PTHH

Hình 3.3 Cửa sổ Import Part

Tất cả các chức năng cần thiết nằm tại cột công cụ bên trái màn hình sau khi khởiđộng phần mềm

Tạo vật liệu cho mô mình: Material > Create

● Tại Name đặt tên cho vật liệu (ví dụ: Silicon DS10)

● Chọn khối lượng riêng của vật liệu: General>Destiny>Mass Destiny vàđiền 1070E6

Chọn mô hình Yeoh và các hệ số: Mechanical>Elasticity>Hyperelastic

● Tại ô Strain enery potential, chọn Yeoh

● Tại ô Input source, chọn Co-efficient

● Tại Data, điền các hệ số C10: 3.6e-2; C20: 2.58e-4 và C30: -5.6e-7