Phát triển hệ thống phản hồi lực dùng lưu chất từ biến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM DIỆP BẢO TRÍ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG PHẢN HỒI LỰC DÙNG LƯU CHẤT TỪ BIẾN Chuyên ngành: Cơ Kỹ Thuật Mã số chuyên ngành: 9520101 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP HỒ CHÍ MINH – NĂM 2022 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM Người hướng dẫn khoa học 1: Người hướng dẫn khoa học 2: Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: PSG.TS Nguyễn Quốc Hưng TS Mai Đức Đãi GS TS Nguyễn Xuân Hùng PGS TS Trương Tích Thiện PGS TS Lê Văn Cảnh Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Diep B T., Le D H., Nguyen Q H., Choi S B., Kim J K Design and Experimental Evaluation of a Novel Bidirectional Magnetorheological Actuator, Smart Materials and Structures, 29 117001, 2020 Diep B T., Nguyen Q H., Kim J H., Choi S B Performance evaluation of a 3D haptic joystick featuring two bidirectional MR actuators and a linear MRB, Smart Materials and Structures, 30 017003, 2020 Diep B Tri., Le D Hiep, Vu V Bo., Nguyen T Nien., Duc -Dai Mai., Nguyen Q Hung A silding mode controller for force control of magnetorheological haptic joysticks, Modern Mechanics and Applications, LNME, pp 1065– 1077, 2021 Diep B T., Nguyen N D., Tran T T., Nguyen Q.H Design and experimental validation of a 3-DOF force feedback system featuring spherical manipulator and magnetorheological actuators, Actuators, 9(1), 19, 2020 Nguyen Q H., Diep B T., Vo V C., Choi S B Design and simulation of a new bidirectional actuator for haptic systems featuring MR fluid, Proc of SPIE, Vol 10164, 101641O, 2017 Diep B T., Le D H., Vo V C., Nguyen Q H Performance evaluation of a 2D-haptic joystick featuring bidirectional magneto rheological actuators, Springer Nature Singapore Pte Ltd, ISBN 978-981-10-7149-2, pp 10511059, 2018 TÓM TẮT Để đánh giá hiệu suất q trình sản xuất, có số tiêu chí cần xem xét: tính ổn định, thời gian đáp ứng, tiêu thụ lượng, thân thiện với mơi trường, chi phí cơng nghệ… Hiện nay, vật liệu thông minh ứng dụng chúng phát triển mạnh mẽ Piezo, Electrorheological Fluid (ERF), Shape Memory Alloy (SMA) Magneto-Rheological Fluid (MRF) Lưu chất từ tính (MRFs) vật liệu thơng minh ứng dụng rộng rãi cho hệ thống phản hồi lực có ưu điểm đáp ứng nhanh, tiêu thụ lượng thấp, tạo lực mô-men lớn Tuy nhiên, hệ thống phản hồi lực sử dụng MRF số tồn kết cấu cồng kềnh cấu tác động đề xuất chưa tối ưu hóa, lực ma sát trạng thái chưa giải Tác giả tập trung nghiên cứu phát triển cấu có tính MRF để tạo mơmen, lực điều khiển được, sau áp dụng hệ thống phản hồi lực Luận án bao gồm nội dung sau: • Phát triển cấu tác động hai chiều sử dụng MRF (BMRA) giảm mômen ma sát ban đầu, giải tượng thắt nút cổ chai so với cấu BMRA trước để ứng dụng cho hệ thống phản hồi lực • Tối ưu hóa thơng số hình học cấu hình BMRA đề xuất phương pháp tối ưu First Order Bên cạnh đó, sử dụng tối ưu hóa đa mục tiêu NSGA để khảo sát tính ưu việt cấu hình đề xuất so với cấu hình nghiên cứu trước • Phát triển hệ thống joystick 3D phản hồi lực sử dụng BMRA phanh MRF tịnh tiến (LMRB) đề xuất • Xây dựng mơ hình tốn điều khiển cho hệ thống phản hồi lực để đánh giá khả hệ thống • Phát triển phanh sử dụng MRF (MRB) với roto biên dạng phức tạp để có kích thước nhỏ gọn áp dụng cho tay máy xúc giác 3D ABSTRACT To evaluate the efficiency and productivity of the production process, there are several criteria to take into consideration: stability, response time, energy consumption, environmental friendliness, cost, technology… Currently, smart materials and their application have been developing very strongly such as Piezo, Electrorheological Fluid (ERF), Shape Memory Alloy (SMA), MagnetoRheological Fluid (MRF) Magnetic fluids (MRFs) are smart materials that are widely applied to force feedback systems because of their advantages such as fast response, low energy consumption, large force, and torque generation However, in the force feedback systems using MRF, there are still some shortcomings such as the structure is too cumbersome because the proposed impact mechanism is not optimized, the friction force in the state has not been resolved The author focuses on research and development of new mechanisms featuring MRF to generate controllable torque/ force, which is then implemented in force feed-back system The thesis includes following main contents: • Development of a bidirectional MRF based actuator (BMRA) for the feedback system Force to provide a controllable torque in both directions which can eleminate frictional torque, solving bottleneck problems compared to previous BMRA mechanisms • Optimization of the geometricparameters of the proposed BMRA configuration by the First Order optimization method Besides, using NSGA multi-target optimization to investigate the overall performnce of the proposed configuration and compared to the previously studied configuration • Development of a 3D-force-feedback joystick system using two of the proposed BMRAs and a linear braking featuring MRF • Constructing mathematic models and controllers for force feedback systems to evaluate the system's capabilities • Development of MR brake with complex-shaped rotor to archieve compact size for a 3D haptic manipulator Chương TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu lưu chất từ biến Lưu chất từ biến lưu chất thay đổi tính chất lưu biến độ nhớt, ứng suất chảy tác dụng từ trường MRF Jacob Rabinow nghiên cứu Cục tiêu chuẩn quốc gia Hoa Kỳ vào cuối năm 1940s [1] Đặc điểm từ tính lưu chất từ biến bao gồm ứng suất chảy dẻo, độ nhớt sau chảy dẻo độ lắng đọng [2, 3] Tính lưu biến phụ thuộc vào tham số biến đổi khác tỷ trọng hạt từ tính, loại hạt từ tính, mật độ hạt từ tính, cường độ từ trường, nhiệt độ, tính chất chất lỏng loại chất phụ gia [4] 1.2 Đặc điểm MRF 1.2.1 Thành phần MRF (Hình 1.1) ▪ Hạt từ tính (1): hạt MRF sử dụng sắt, hợp kim sắt, oxit sắt, nitrat sắt, cacbua sắt, sắt carbonyl, niken coban [6, 7] Kích thước hạt từ tính nằm khoảng 0,1-10 μm ▪ Chất lỏng (2): dầu silicon, dầu khoáng, dầu parafin, dầu thủy lực, chất lỏng hữu halogen, silic fluoride dầu hydrocarbon tổng hợp [7] ▪ Chất phụ gia: thêm vào nhằm làm giảm lắng đọng hạt MRF Hiện tượng lắng đọng làm giảm hiệu suất MRF [8] 1.2.2 Nguyên lý hoạt động MRF Khi MRF trạng thái từ trường qua hạt từ tính chuyển động tự lưu chất ứng xử lưu chất Newton Khi MRF có tác dụng từ trường bên ngồi vào hạt từ tính gắn kết xếp lại với theo hình dạng phân bố đường sức từ Các hạt từ có khả chống lại phá vỡ liên kết, làm cho lưu chất sệt lại 1.2.3 Các chế độ làm việc MRF Theo nghiên cứu [9] gồm bao gồm: chế độ dòng chảy, chế độ trượt, chế độ nén 1.3 Tình hình nghiên cứu hệ thống phản hồi lực 1.3.1 Nghiên cứu nước - Từ Diệp Công Thành [10] nghiên cứu hệ tay máy Master Slave chép chuyển động điều khiển từ xa, việc nghiên cứu dừng chép chuyển động - Nguyễn Ngọc Điệp [11] phát triển đề tài “Nghiên cứu,thiết kế chế tạo mơ hình tay máy chép chuyển động phản hồi lực” tồn số nhược điểm sử dụng phanh MRF kiểu truyền thống 1.3.2 Nghiên cứu nước Li W H cộng [12] đưa hệ phản hồi lực joystick 2D với hai phanh dùng MRF Các phanh sử dụng phanh truyền thống việc tối ưu hố hình học chưa xem xét nên kết cấu ma sát ban đầu lớn Nguyen P B cộng [13] thiết kế chế tạo cấu joystick 2D phản hồi lực sử dụng cấu quay hai chiều dùng MRF Tuy nhiên sử dụng kiểu quấn dây truyền thống dẫn tới tượng thắt nút cổ chai việc tối ưu hố hình học chưa xem xét nên kết cấu cịn lớn, mơ-men đầu 1,2 Nm 1.4 Kết luận Thông qua nghiên cứu trên, tác giả nghiên cứu phát triển mơ hình ứng xử MRF cho hệ Đồng thời tiến hành phân tích, tính tốn, tối ưu hóa thơng số hình học với ràng buộc hệ thống tiến hành xây dựng toán điều khiển để đáp ứng cho hệ thống 1.5 Mục tiêu nghiên cứu 1.5.1 Mục tiêu hệ thống phản hồi lực dùng MRF có khả phản hồi xác lực 3D; giảm thiểu tối đa ảnh hưởng lực ma sát lên tay người điều khiển; đánh giá khả đáp ứng hệ thống phản hồi lực 1.5.2 Mục tiêu cụ thể - Phát triển cấu tác động hai chiều dùng MRF (BMRA); - Phát triển phanh MRF tuyến tính (LMRB) có khả kiểm sốt lực dọc trục - Phát triển hệ thống phản hồi lực 3D với kết hợp BMRA LMRB - Phát triển phanh MRF biên dạng (MRB) với mục đích giảm khối lượng tăng mơ-men đầu cho MRB - Phát triển tay máy phản hồi lực 3D dựa vào kết hợp MRB LMRB 1.6 Phạm vi nghiên cứu - Hệ thống phản hồi lực 3D; lưu chất nghiên cứu MRF132-DG; tốc độ điều khiển khoảng rad/s; điều khiển áp dụng PID, SMC 1.7 Phương pháp nghiên cứu cách tiếp cận - Phương pháp số: đạo hàm bậc nhất, NSGA-II, điều khiển PID SMC - Đối tượng nghiên cứu cấu tác động dùng MRF - Các kết tối ưu thực nghiệm kiểm tra tính đắn độ tin cậy 1.8 Tính đề tài - Phát triển cấu hai chiều khắc phục tượng thắt nút cổ chai, bão hòa từ cục bộ, giảm khối lượng cấu so với cấu tác giả Nguyen P B [27] - Phát triển hệ thống phản hồi lực 3D sử dụng BMRA LMRB đề xuất - Phát triển tay máy phản hồi lực 3D sử dụng MRB LMRB đề xuất - Xây dựng mơ hình tốn cho hệ thống phản hồi lực 3D - Xây dựng điều khiển cho hệ thống phản hồi lực đề xuất Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Các đặc tính MRF - Đặc tính từ tính tĩnh: từ tính MRF khả cho phép từ thông chạy qua lưu chất, đặc trưng độ từ thẩm µ Với quan hệ [14]: 𝐵 = 𝜇 𝐻 (2-1) Trong B mật độ từ thông, H cường độ từ trường - Đặc tính độ nhớt: chịu ảnh hưởng hai yếu tố độ nhớt chất lỏng mật độ hạt từ tính Đây thông số lưu biến sử dụng để xác định đặc tính ứng xử vật liệu phi Newton [15] Phương trình độ nhớt : 𝜂𝑟 = + 2.5𝜙 (2-2) Với ηr độ nhớt tương đối, ϕ thể tích chất hịa tan - Độ bền : sau thời gian làm việc lưu chất đặc tính ban đầu với nhiều lý khác chủ yếu mài mòn hạt từ tính 2.2 Mơ hình tốn áp dụng cho MRF Mơ hình dẻo Bingham [5]: 𝜏 = 𝜏𝑦 (𝐻)𝑠𝑔𝑛(𝛾̇ ) + 𝜂𝛾̇ (2-3) Với 𝜏: ứng suất cắt; 𝜏𝑦 : ứng suất chảy dẻo; 𝑆𝑔𝑛: hàm dấu; 𝜂: độ nhớt sau chảy dẻo; 𝛾̇ : tốc độ cắt lưu chất Các tính chất lưu biến MRF xác định công thức sau [5]: 𝑌 = 𝑌∞ + (𝑌0 − 𝑌∞ )(2𝑒 −𝐵𝛼𝑆𝑌 − 𝑒 −2𝐵𝛼𝑆𝑌 ) (2-4) 𝑌 thông số lưu biến MRF ứng suất chảy (𝜏𝑦 ), độ nhớt (𝜇) 𝜏𝑦 = 𝜏𝑦∞ + (𝜏𝑦0 − 𝜏𝑦∞ )(2𝑒 −𝐵𝛼𝑠𝑡𝑦 − 𝑒 −2𝐵𝛼𝑠𝑡𝑦 ) 𝜇 = 𝜇∞ + (𝜇0 − 𝜇∞ )(2𝑒 −𝐵𝛼𝑠𝜇 − 𝑒 −2𝐵𝛼𝑠𝜇 ) (2-5) (2-6) Giá trị tham số Y có xu hướng từ Y0 đến giá trị bão hịa 𝑌∞ ; 𝛼𝑆𝑌 số mơmen bão hòa tham số 𝑌; B mật độ từ thông 2.3 Mô-men ma sát rãnh MRF 2.3.1 Mô-men ma sát rãnh mặt đầu (I) Xét phanh đĩa đơn (Hình 2.1), đĩa quay với vận tốc  (rad/s) Mơ-men tính sau[16]: 𝑇= 2𝜋.𝜇𝑒𝑞𝑅4 (𝑛+3)𝑡𝑔 𝑅 [1 − ( 𝑖 ) 𝑅0 𝑛+3 ]+ 2𝜋𝜏𝑦 (𝑅03 + 𝑅𝑖3 )(2-7) 2.3.2 Mô-men ma sát mặt trụ ngồi (II) Mơ-men ma sát (II) tính [17]: 𝑇𝑎 = 2𝜋 𝑅02 𝑏𝑑 𝜏𝑅0 (2-8) 2.3.3 Mô-men ma sát rãnh nghiêng Xét phanh MRF có biên dạng đĩa gồm có rãnh nghiêng (I1, I3, I5) (Hình 2.2) Mô-men ma sát rãnh nghiêng theo [17]: 𝑇𝐼𝑖 = 2𝜋 (𝑅𝑖2 𝑙 + 𝑅𝑖 𝑙 𝑠𝑖𝑛∅ + 𝑙 𝑠𝑖𝑛2 ∅) 𝜏𝑦𝐼𝑖 𝜋 𝑑 + 𝜋𝜇𝐼𝑖 (4𝑅𝑖3 + 6𝑅𝑖2 𝑙𝑠𝑖𝑛∅ + 4𝑅𝑖 𝑙 𝑠𝑖𝑛2 ∅ + 𝑙 𝑠𝑖𝑛3 ∅); (𝑖 = 1,3,5) (2-9) 2.4 Lực ma sát trượt cấu tuyến tính dùng MRF (LMRB) Xét LMRB có cấu tạo thơng số hình học (Hình 2.3) Khi lực ma sát trượt sinh LMRB tính [18]: 𝐹𝑠𝑑 = 2𝜋 𝜇𝑅𝑠 𝐿𝑣 ⁄𝑡𝑔 + 2𝜋 𝑅𝑠 𝐿𝜏𝑦 (2-10) Với Rs bán kính trục; d kích thước khe MRF; v vận tốc tương đối trục vỏ; L chiều dài ống MRF; R bán kính LMRB 2.5 Mơ-men ma sát phớt trục Đối với phanh (Hình 2.1, Hình 2.2) mơ-men ma sát tính theo [19]: 𝑇𝑠𝑓 = 0,65(2𝑅𝑠 )2 𝜔 1⁄3 (2-11) Tsf : mô-men sinh ma sát phớt với trục (Oz –in); Rs bán kính trục (inch);  tốc độ quay trục (vịng/phút) Đối với LMRB (Hình 2.3) sử dụng O-ring nên mô-men ma sát phớt trục tính theo [20]: 𝐹𝑜𝑟 = 𝑓𝑐 𝐿𝑜 + 𝑓ℎ 𝐴𝑟 (2-12) 2.6 Phương pháp giải toán từ tính MRF 2.6.1 Phương pháp giải tích Chúng ta biết mơ hình hóa hệ thống dựa MRF kết hợp phân tích điện từ phân tích hệ thống lưu chất [21] Mạch từ phân tích định luật Kirchoff từ tính sau: ∑ 𝐻𝑘 𝑙𝑘 = 𝑁𝑡𝑢𝑟𝑛𝑠 𝐼 (2-13) Trong Hk cường độ từ trường liên kết thứ k mạch từ; lk độ dài hiệu dụng liên kết; Nturns số vòng cuộn dây; I dòng điện áp dụng 2.6.2 Phương pháp phần tử hữu hạn Kết hợp phương pháp phần tử hữu hạn với mơ-đun giải từ trường có sẵn phần mềm ANSYS với phần tử đối xứng trục PLANE 13 phần mềm ANSYS 2.7 Cơ sở phương pháp tối ưu hố • Phương pháp giảm độ dốc (Gradient Descent - GD) [22] • Phương pháp giải thuật di truyền (Genetic Algorithms - GA) [23] • Giải thuật di truyền xếp không vượt trội II (NSGA-II) [24] 2.8 Cơ sở phương pháp điều khiển - Bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative) [25] - Bộ điều khiển SMC (Sliding Mode Control) [26] Chương PHÁT TRIỂN CƠ CẤU HAI CHIỀU DÙNG MRF 3.1 Cơ cấu hai chiều dùng MRF (BMRA) 3.1.1 Nguyên lý cấu tạo Trên sở BMRA Nguyen P B [27] Nhóm đề xuất hai phương án cho BMRA là: BMRA1 có cuộn dây bên (Hình 3.2), BMRA2 có hai cuộn với mô-men xoắn đầu với công thức (4-8),(4-9) kết thể Hình 4.12 𝐼𝑥 = −(0,1914 + 0,9367𝑇𝑥 + 0,2157𝑇𝑥2 + 0,0261𝑇𝑥3 ) (Tx  - 0,218 Nm) 𝐼𝑥 = 0, 1921 + 0,72153𝑇𝑥 − 0,18035𝑇𝑥2 + 0,02778𝑇𝑥3 (Tx > - 0,218 Nm) (4-8) (4-9) Đối với trục Y thể diễn qua Hình 4.13 cơng thức (4-9), (4-10) 𝐼𝑦 = −(0,1927 + 0,9302𝑇𝑦 + 0,2115𝑇𝑦2 + 0,0252𝑇𝑦3 ) (Ty  - 0,22 Nm) (4-10) 𝐼𝑦 = 0,1958 + 0,72954𝑇𝑦 − 0,18798𝑇𝑦 + 0,0261𝑇𝑦 (Ty > -0,22 Nm) (4-11) Kết I = 2,5 A lực đo 25,3 N, lực mô 24,98N Lực trạng thái 5,35 N lực mơ 4,95N Tại I = 2,0 A độ lớn lực tác động 23,0 N lớn lực cực đại cần thiết Với đường công xấp xỉ bậc ta có (Hình 4.14): 𝐼𝑏 = −0,99805 + 0,24302|𝐹𝑏 | − 0,01246|𝐹𝑏 |2 + 0,000329|𝐹𝑏 |3 , (|𝐹𝑏 | > 5,35 𝑁) (4-12) 𝐼𝑏 = 𝑘ℎ𝑖 |𝐹𝑏 | < 5,35 𝑁 4.7 Điều khiển phản hồi lực cho hệ joystick 3D 15 4.7.1 Thiết kế điều khiển vòng hở cho hệ phản hồi lực 3D Bộ điều khiển vịng hở (Hình 4.15) để ghi nhận lực phản hồi tiếp tuyến cần thiết vị trí cần Vị trí núm điều khiển xác định bởi: 𝑇 𝑟𝑝 = [𝑥𝑝 , 𝑦𝑝 , 𝑧𝑝 ] = 𝑅[0,0, 𝑙]𝑇 (4-13) Trong R tổng ma trận xoay cần với hệ tọa độ toàn cục Chú ý thời gian lấy mẫu ∆𝑡 = 0,01(𝑠) Khi ma trận R viết lại sau: 𝑅(𝑡 + ∆𝑡) = 𝑅(∆𝑡)𝑅(𝑡) (4-14) Khi 𝑅(∆𝑡) tính gần sau: 𝑅(∆𝑡) = 𝑅𝑑∅𝑥 𝑅𝑑∅𝑦 = [ −𝑑∅𝑦 𝑑∅𝑥 𝑑∅𝑦 −𝑑∅𝑥 ] (4-14) Lực phản hồi LMRB đo riêng biệt (Hình 4.16) Từ ta thấy lực pháp tuyến mong muốn (Fz2), lực hãm LMRB (Fb) xác định Fb = Fz2 Kết Hình 4.17 biểu diễn lực tiếp tuyến phản hồi đo tương đối tốt so với lực mong muốn Tuy nhiên có độ trễ khoảng 0,3 s so với giá trị mong muốn Điều chủ yếu có độ trễ học phản ứng mô-men xoắn BMRA Bước thứ 2, từ vị trí ban đầu (xp = 0,yp = 0, zp = 200 mm), chuyển động tùy ý tay cầm thực lực từ người vận hành đo cảm biến lực 3D, kết trình bày Hình 4.18 Với kết ta thấy độ trễ khoảng 0,3 s giá trị đo với giá trị mong muốn So với kết trường hợp tay cầm cố định lực tiếp tuyến cao chút Điều chuyển động không ổn định tay cầm Đối với lực pháp tuyến hệ thống khơng thể phản xạ lực có độ lớn nhỏ 5,3 N lực ma sát trạng thái 16 nói bên Bước nhảy từ giá trị lực phản hồi không thay đổi hướng lực đo 4.7.2 Thiết kế điều khiển vịng kín cho hệ phản hồi lực 3D Đáp ứng bước kết nhận dạng hệ thống BMRA LMRB đưa Hình 4.19 Điều thấy mômen truyền động đo gần với mơmen truyền động từ mơ hình nhận dạng ▪ Đối với BMRA áp dụng sau: 𝑎𝑇̈ + 𝑏𝑇̇ + 𝑇 = 𝑓(𝐼) = 2,105𝐼 (4-15) Với 𝑎 = 1⁄26590 ; 𝑏 = 2452⁄26590 𝑓(𝐼) = 0,01025 − 0,53308 ∗ 𝐼 − 1,63852 ∗ 𝐼 + 0,42608 ∗ 𝐼 ; ▪ Đối với LMRB áp dụng sau: ▪ 𝑐𝐹̈ + 𝑑𝐹̇ + 𝐹 = 𝑔(𝐼) (4-16) Với 𝑐 = 1/649,5; 𝑑 = 60,69/649,5 𝑔(𝐼) = 5,01899 + 9,75739 ∗ 𝐼 + 1,28363 ∗ 𝐼 − 0,796 ∗ 𝐼 Cần lưu ý lực phản hồi pháp tuyến lực tắt dần tách khỏi lực tiếp tuyến Do phương trình (4-7) viết sau: 𝑇𝑥 𝐹𝑥2 [𝑇 ] = −[𝐽𝑇 𝑅]22 [𝐹 ] ; 𝐹𝑏 = 𝐹𝑧2 𝑦 𝑦2 (4-17) Với −[𝐽𝑇 𝑅]22 ma trận 2x2 ma trận −[𝐽𝑇 𝑅] Các thơng số cần điều khiển (𝑟𝑃 ), ma trận JXY, R, Tx, Ty, lực mong muốn Fx2, Fx2 Bộ điều khiển vịng kín để phản ảnh lực phản hồi mong muốn trình bày Hình 4.20 17 ▪ Bộ điều khiển PID dịng điện xác định sau: 𝐼(𝑡) = 𝑘𝑃 𝑒(𝑡) + 𝑘𝐼 ∫ 𝑒 (𝑡) + 𝑘𝐷 𝑒̇ (𝑡) (4-18) Ở kP, kI, kD giá trị tỷ lệ, tích phân đạo hàm; e sai số giá trị đầu vào Để đánh giá hiệu điều khiển tác giả sử dụng ITAE (Integral of Time-Weighted Absolute Error) tích phân sai lệch theo thời ∞ gian xác định bởi: 𝐼𝑇𝐴𝐸 = ∫0 𝑡|𝑒(𝑡)|𝑑𝑡 (4-19) Trong t thời gian mô phỏng; e(t) sai lệch thời gian Từ giá trị tối ưu thực MATLAB SIMULINK cho tiêu chuẩn ITAE nhỏ Bảng 4.1 Kết điều chỉnh kp, i,, kd BMRA_x kp = 10 ki = kd = BMRA_y kp = ki = kd = LMRB kp = ki = kd = Kết sai lệch hệ thống % ▪ Bộ điều khiển SMC cho lực phản hồi [33] Tổng quát ta có: 𝑎𝑇̈ + 𝑏𝑇̇ + 𝑇 = 𝑢(𝐼) 𝑢 𝑥 𝑏𝑥 Đặt 𝑇 = 𝑥1 ; 𝑥2 = 𝑥̇ = 𝑇̇, 𝑥̇ = − − + 𝑑 𝑎 𝑎 (4-20) 𝑎 [𝑥1 𝑥2 ] vectơ trạng thái; u điều khiển đầu vào; a, b tham số xác định từ nhận dạng hệ thống, với a = 1/26590, b = 2452/26590 d: gồm độ nhiễu không chắn hệ thống, |𝑑| ≤ 𝐷 Mặt trượt xác định bởi: 𝑠 = 𝑐𝑒 + 𝑒̇ (4-21) Trong e sai số xác định: 𝑒 = 𝑥𝑑 − 𝑥 xd: giá trị mong muốn; x: giá trị đo được; c: hệ số độ dốc mặt trượt (c > 0) Hàm điều khiển định nghĩa sau: 𝑢 = 𝑎 [𝑘sign(𝑠) + 𝑐𝑒̇ + 𝑥̇ 2d + 𝑥1 𝑎 18 + 𝑏𝑥2 ] 𝑎 (4-22) Tính ổn định hệ thống sử dụng hàm Lyapunov sau: 𝑉 = 𝑠 𝑉̇ = 𝑠(−𝑘sign(𝑠) − 𝑑) = −𝑘|𝑠| − 𝑠𝑑 (4-23) Khi 𝑘 ≥ 𝐷 𝑉̇ = −𝑘|𝑠| − 𝑠𝑑 ≤ hệ thống ổn định Từ giá trị tối ưu điều khiển thực MATLAB SIMULINK cho tiêu chuẩn ITAE nhỏ Kết thực nghiệm với sai lệch hệ thống sử dụng SMC % Với kết thể Hình 4.21 Hình 4.22 điều khiển PID SMC tần số 3Hz hàm sin tương ứng Đối với SMC cho kết lực mong muốn tốt với sai số nhỏ %, nhỏ PID 8% Lực theo dõi PID dao động liên tục xung quanh lực mong muốn gây liên tục dòng điện truyền động Điều dễ hiểu hệ thống có nhiễu cấu khơng ổn định, PID giải tất nhược điểm Tuy nhiên, dòng điện đầu vào điều khiển SMC mượt mà điều khiển PID Bảng 4.2 Kết điều chỉnh c, k BMRA_x BMRA_y LMRB c = 15 c = 14 c = 17 k = 14 k = 197 k = 10 Bên cạnh đó, điều khiển lực cấu truyền động SMC theo dõi tốt với lực mong muốn Ngồi SMC hạn chế nhiễu, không chắn thay đổi hệ thống Trong hai điều khiển, thấy lực thực tế Fz theo dõi lực yêu cầu với lực nhỏ 5,3 N Chương PHÁT TRIỂN TAY MÁY 3D PHẢN HỒI LỰC 5.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động Hệ thống (Hình 5.1) bao gồm khớp thắt lưng (khớp 01), khớp vai (khớp 02) khớp trượt cánh tay (khớp 03) Trên trục khớp 01 bố trí MRB_01 dùng để phản xạ lực tiếp tuyến ngang mong muốn, khớp 02 trục lắp 19 MRB_02 để phản ánh lực tiếp tuyến với độ cao mong muốn khớp trượt cánh tay bố trí LMRB Lực phản xạ tối đa theo hướng lấy 40 N có xét tới khả người vận hành Do mô-men MRB Nm 5.2 Thiết kế tay máy phản hồi lực 3D 5.2.1 Thiết kế phanh biên dạng (MRB) 5.2.1.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động Kết cấu phanh có đĩa phanh hình Hình 5.2 Mục đích tăng bề mặt tiếp xúc MRF với đĩa phanh vỏ phanh từ cho mô-men lớn khối lượng giảm đáng kể 5.2.1.2 Tính tốn mơ-men MRB Khi mơ-men MRB (Hình 5.3) tính: 𝑇𝑏 = 2(𝑇𝐸0 + 𝑇𝐸2 + 𝑇𝐸4 + 𝑇E6 + 𝑇𝐸8 + 𝑇E10 ) + (5-1) 2(𝑇𝐼1 + 𝑇I3 + 𝑇I5 + 𝑇𝐼7 + 𝑇𝐼9 ) + 𝑇𝑐 + 2𝑇𝑠 Với: 𝑇𝐸𝑖 = 2𝜋𝜏𝑦𝐸𝑖 𝜋𝜇𝐸𝑖 𝑅𝑖+1 2𝑑 𝑅𝑖 [1 − (𝑅 𝑖+1 (𝑅 𝑖+13−𝑅𝑖3 ), ) ]𝛺 + (𝑖 = 0,2,4,6,8,10) (5-2) 𝑇𝐼𝑖 = 2𝜋 (𝑅𝑖2 𝑙 + 𝑅𝑖 𝑙 sin𝜙 + 𝑙 sin2 𝜙) 𝜏𝑦𝐼𝑖 𝜋 + 𝜋𝜇𝐼𝑖 (4𝑅𝑖 + 6𝑅𝑖 𝑙sin𝜙 + 4𝑅𝑖 𝑙 sin2 𝜙 + 𝑑 𝑙 sin 𝜙); (1,3,5,7,9) 𝑇𝑐 = 2𝜋𝑅11 (𝑏 (5-3) + 2ℎ)(𝜏𝑦𝑐 + 𝜇𝑐 𝛺𝑅11 ) 𝑑 (5-4) Với 𝑅𝑖 bán kính điểm thứ i; 𝑙 chiều dài khe nghiêng,  góc nghiêng, h chiều cao Mơ-men ma sát phớt sinh tính theo (2-11): 𝑇𝑠 = 0.65(2𝑅𝑠 )2 1⁄3 5.2.2 Thiết kế LMRB Tác giả không nhắc lại mà chọn lại lực hãm F = 40 N 20 5.3 Tối ưu hóa phanh cho tay máy 3D 5.3.1 Tối ưu hoá MRB Khối lượng phanh: 𝑚𝑏 = 𝑉𝑑 𝜌𝑑 + 𝑉ℎ 𝜌ℎ + 𝑉𝑠 𝜌𝑠 + 𝑉𝑀𝑅 𝜌𝑀𝑅 + 𝑉𝑐 𝜌𝑐 Với điều kiện: 𝑇𝑏 ≥ 𝑇𝑏𝑟 ; giới hạn biến thiết kế: 𝑥𝑖𝐿 ≤ 𝑥𝑖 ≤ 𝑥𝑖𝑈 , (5-5) (i = 1, 2, …n) Trong 𝑉𝑑 , 𝑉ℎ , 𝑉𝑠 , 𝑉𝑀𝑅 𝑉𝑐 tương ứng thể tích đĩa, thân vỏ, trục, MRF cuộn dây phanh; 𝜌𝑑 , 𝜌ℎ , 𝜌𝑠 , 𝜌𝑀𝑅 𝜌𝑐 khối lượng riêng đĩa, vỏ, trục, MRF cuộn dây; 𝑥𝑖𝐿 𝑥𝑖𝑈 giới hạn biến thiết kế hình học tương ứng 𝑥 i phanh MRF; n số lượng biến thiết kế; Tbr mô-men xoắn cần thiết phanh Các tham số kích thước quan trọng MRB chiều cao, chiều rộng cuộn dây (hc, wc), bán kính ngồi đĩa R0, bán kính R1, kích thước hình học (chiều cao đỉnh, bề dày đỉnh, bề dày đáy), bề dày đĩa td…đều chọn làm biến thiết kế, cịn thơng số khác tg = 0,6 mm, tw = mm chọn từ ban đầu Trong q trình tối ưu hóa dịng điện I = 2,5 A tính có xem xét tới điều kiện làm việc an toàn, tỷ lệ lấp đầy cuộn dây lấy 70 %, tổn thất từ tính giả định 10 %, mô-men giới hạn 10 Nm yêu cầu Nm, tốc độ hội tụ lấy 0,1 % Mơ hình PTHH phân tích mạch từ, mật độ phân bố từ MRB thể Hình 5.4, Hình 5.5 5.3.2 Tối ưu hố LMRB Trong số thơng số tính tốn cần thay đổi cho phù hợp tg = 0,8mm, tw = 0,5 mm Mơ hình phần tử hữu hạn phân bố từ LMRB thể Hình 5.7, Hình 5.8 kết tối ưu với lực hãm yêu cầu lớn 40 N đạt thể Hình 5.9 21 5.4 Thiết kế, chế tạo hệ thống phản hồi lực 3D 5.4.1 Thiết kế MRB, LMRB Tác giả thiết kế MRB, LMRB hoàn thành hệ thống tay máy phản hồi lực đề 5.4.2 Hồn thiện mơ hình tay máy.(Hình 5.10) 5.5 Kết mô-men MRB lực LMRB Hệ thống thực nghiệm (Hình 5.11) Trong trình thực nghiệm, cánh tay xoay quanh khớp 01 giá trị trung bình lực giá trị khác dòng điện đưa vào ghi lại Các giá trị mơ-men MRB, LMRB cho Hình 5.12, Hình 5.13 Hình 5.14 Qua kết ta thấy mơmen trục tất phanh đáp ứng tốt, nhiên có số thời điểm việc đáp ứng chưa tốt ổn định hệ thống hay thao tác vận hành chưa ổn định 22 5.6 Thiết kế điều khiển cho tay máy 3D phản hồi lực Bộ điều khiển vòng hở phản ánh lực tiếp tuyến mong muốn (Hình 5.15) lực thơng thường (Hình 5.16) Mơ-men đầu MRB_01 (Tw), MRB_02 (Tsh) tính theo cơng thức (5-6), (5-7): 𝑇𝑤 = 𝐹ℎ 𝑟 𝑐𝑜𝑠𝜃 (5-6) 𝑇𝑠ℎ = 𝐹𝑒 𝑟 (5-7) Fh Fe lực tiếp tuyến mong muốn khớp 01 02 Từ kết thử nghiệm Hình 5.12, Hình 5.13 ta thấy mơ-men phanh MRB gần bão hịa áp dụng dòng điện I > 1,5 A Áp dụng đường cong xấp xỉ bậc dịng điện áp dụng cho cuộn dây MRB_01 (Iw) MRB_02 (Ish) tính theo cơng thức tương ứng (5-8) (59): 𝐼𝑤 = −0,0245 + 0,1516𝑇𝑤 + 0,00177𝑇𝑤2 𝐼𝑠ℎ = −0,027 + 0,1543𝑇𝑠ℎ + 0,00155𝑇𝑠ℎ Với I < 1,5 A cho LMRB xác định theo phương trình (5-10) 𝐼𝑟 = −0,1707 + 0,03424𝐹𝑟 + 0,000169𝐹𝑟2 (5-8) (5-9) (5-10) Sử dụng dòng điện I < 1,5 A áp dụng hàm mô-men tạo thể Hình 5.17, Hình 5.18, Hình 5.19 5.7 Kết thực nghiệm Kết Hình 5.20 cho thấy lực phản hồi mong muốn không đổi 40 N đặt cho thành phần lực phản hồi thời điểm 0,5 s Đối với lực ngang phản hồi thực tế so với mong muốn với sai số tối đa % thời gian đáp ứng khoảng 0,24 s (Hình 5.20a) Lực nâng phản hồi thực tế so với mong muốn phản ánh tốt, 23 thời gian đáp ứng khoảng 0,26 s (Hình 5.20b) Lực hướng tâm phản hồi thực so với mong muốn với sai số tối đa khoảng 6,5 % có nhiều dao động so với trước (Hình 5.20c) Kết lực phản hồi mong muốn hình sin cho thành phần lực phản hồi thể Hình 5.21, Hình 5.22, Hình 5.23 Tuy lực phản hồi tốt lực phản hồi nhỏ 1,5 N MRB_01 Ở trạng thái ổn định sai số tối đa lực tiếp tuyến ngang độ cao khoảng %, lực hướng tâm lên đến 6,5 % với nhiều biến động Tuy nhiên, mô-men xoắn ban đầu MRB lực LMRB hệ thống lớn nên phản xạ lực nhỏ đến người điều khiển 1,5 N cho vị trí ngang (khớp 01), 1,8 N cho lực nâng (khớp 02) N cho lực hướng tâmMRB_02 N với LMRB nhỏ N, sai số tối đa lực tiếp tuyến ngang độ cao khoảng %, lực hướng tâm lên đến 6,5 % Qua kết thực nghiệm cho thấy điều khiển hình cầu 3D dựa MRF đề xuất cung cấp lực phản hồi 3D mong muốn cho người vận hành Cần lưu ý điều khiển đề xuất dễ dàng tích hợp với robot bị động cho hệ thống điều khiển từ xa, kết hợp phản hồi lực song song với điều khiển vị trí hệ thống đề xuất Chương KẾT LUẬN 6.1 Kết luận Trong nghiên cứu này, tập trung nghiên cứu thiết kế, mô phỏng, chế tạo thực 24 nghiệm mơ hình đồng thời thiết kế điều khiển PID, SMC cho việc điều khiển lực phản hồi BMRA, MRB, LMRB áp dụng hệ thống phản hồi lực với nội dung tối ưu hóa (First Order, NSGA-II),thơng số hình học cấu xem xét đặt tính khả đáp ứng chúng chức mà hệ phản hồi lực cần có (khối lượng, mô-men phát sinh) Đề tài đưa hướng khả ứng dụng MRF cho hệ thống phản hồi lực nói c hệ thống haptic nói riêng Tuy nhiên cịn số vấn đề cần nghiên cứu thêm hiệu suất cấu đạt 90 %, nhiều ngun nhân cơng nghệ chế tạo, lắp ráp, tính đồng chất vật liệu 6.2 Hạn chế hướng phát triển đề tài ▪ Hạn chế đề tài: - Lực ma sát ban đầu LMRB cao; - Hệ thống phản hồi phát triển tới 3D; - Bộ điều khiển phản hồi lực tính chưa cao; ▪ Hướng phát triển đề tài: - Phát triển cấu LMRB giảm lực không tác động ban đầu; - Phát triển hệ thống joystick 3D dùng 03 cấu tác động quay điều khiển động cơ; - Xây dựng hệ thống điều khiển kín áp dụng thuật toán điều khiển đại nhằm nâng cao chất lượng lực phản hồi; 25 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Rabinow J The magnetic fluid clutch AIEE Trans 67, 1308– 1315,1948 [2] Kordonski W I., Gorodkin S R, Novikova Z A The influence of ferroparticle concentration and size on mr fluid properties Proceedings of the 6th International Conference on Electrorheological Fluids, Magnetorheological Suspensions, and Their Applications, World Scientific, Singapore.1997, 22–25, pp 535–542 [3] Rosenfeld N., Wereley N M., Radhakrishnan R., Sudarshan T Nanometer and micron sized particles in a bidisperse magnetorheological fluid Int J Mod Phys B 16(17–18), 2392–2398, 2002 [4] Guan J G., Wang W., Gong R Z., Yuan R Z., Gan L H., Tam K C One-step synthesis of cobalt-phthalocyanine/iron nanocomposite particles with high magnetic susceptibility Langmuir 18(11), 4198–4204, 2002 [5] Zubieta M., Eceolaza S., Elejabarrieta M J., Bou-Ali M M Magnetorheological fluids: characterization and modeling of magnetization Smart Materials and Structures 18(9), 095019, 2009 [6] Park J H., Park O Ok Electrorheology and magnetorheology, KoreaAust Rheol.J 13(1), 13-17, 2001 [7] Munoz B C., Adams G W., Ngo V T., Kitchin J R Stable Magnetorheological Fluids, US Patent 6203717, 2001 [8] Claracq J., Sarrazin J., Montfort J P Viscoelastic properties of magnetorheological fluids, Rheologica Acta 43(1), 38-43, 2004 [9] Butter K et al Direct observation of dipolar chains in ferrofluids in zero field using cryogenic electron microscopy, Journal Phys Condens Matter 15(15), 1451-1470, 2003 [10] Từ Diệp Công Thành (Trường ĐH Bách khoa TP.HCM), Điều khiển Tele-Manipulator, Tạp chí Phát triển KH&CN, tập 13, số K5 - 2010 [11] Nguyễn Ngọc Điệp, Nguyễn Quốc Hưng, Nguyễn, Viễn Quốc, Huỳnh, Công Hảo, Lê Duy Tuấn, Nguyễn Ngọc Tuyến, Lăng Văn Thắng Nghiên 26 cứu, thiết kế chế tạo mô hình tay máy chép chuyển động phản hồi lực, Hội nghị toàn quốc Máy Cơ cấu, 2015, Thành phố Hồ Chí Minh [12] Li W H., Liu B., Kosasih P B., Zhang X Z A 2-DOF MR actuator joystick for virtual reality applications, Sensors and Actuators, Vol.137, Issue 2, 308-320, 06/2007 [13] Nguyen P B., Oh J S., Choi S B A novel 2-DOF haptic master device using bi-directional magneto-rheological brakes: modelling and experimental investigation, International Journal of Materials and Product Technology, 44(3/4), 216, 2012 [14] Nguyen Q H., Choi S B Optimal design methodology of magnetorheological fluid based mechanisms, Smart Actuation and Sensing Systems, 2012 [15] Toda K., Furuse H., Extension of Einstein's Viscosity Equation to That for Concentrated Dispersions of Solutes and Particles, J Biosci Bioeng 102(6), 524-528, 2006 [16] Choi J U., Choi Y T., Wereley N M Constitutive models of electrorheological and magnetorheological fluids using viscometers, Smart Material and Structures, 2003 [17] Le D T., Nguyen N D., Le D T., Nguyen N T., Pham V V., Nguyen Q H Development of Magnetorheological Brake with Tooth-Shaped Disc for Small Size Motorcycle, Applied Mechanics and Materials, 889, 508–517, 2019 [18] Song B K., Nguyen Q H., Choi S B., Woo J K The impact of bobbin material and design on magnetorheological brake performance, Smart Materials and Structures, 22(10), 105030, 2013 [19] Division P S Rotary Seal Design Guide (Parker Hannifin Corporation), Catalog EPS, 5350, 2006 [20] Brian E S 2005 Research for dynamic seal Friction modeling in linear motion hydraulic piston applications, Master of Science Thesis University of Texas at Arlington, USA 27 [21] Raju Ahamed, Choi S B., Ferdaus M M A state of art on magnetorheological materials and their potential applications, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 29(10), 2051-2095, 2018 [22] Mukhopadhyay A., Maulik U., Bandyopadhyay, S Multiobjective Genetic Algorithm-Based Fuzzy Clustering of Categorical Attributes IEEE Transactions on Evolutionary Computation, 13(5), 991–1005, (2009) [23] Deb K., Pratap A., Agarwal S., Meyarivan T A fast and elitist multiobjective genetic algorithm: NSGA-II IEEE Trans Evol Comput., vol 6, no 2, pp 182–197.2002 [24] Deb K., Agrawal S., Pratap A., Meyarivan T A Fast Elitist Nondominated Sorting Genetic Algorithm for Multi-objective Optimization: NSGA-II Lecture Notes in Computer Science, 849–858, 2000 [25] Utkin V I., Variable Structure systems with Sliding Modes IEEE Transaction on Automatic Control, 22, 2, 212-222, 1977 [26] Nguyen P B., Choi S B A Bi-Directional Magneto-Rheological Brake for Medical Haptic System: Optimal Design and Experimental Investigation, Advanced Science Letters, 13(1), 165-172, 2012 [27] E Garcia, Arevalo J C., Muñoz G., Gonzalez-de-Santos P., Combining series elastic actuation and magneto-rheological damping for the control of agile locomotion, Robotics and Autonomous Systems, 59(10), 827-839, 2011 [28] Scott Winter, M Bouzit Use of magnetorheological fluid in a force feedback glove, IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, Vol 15, No 1, pp 2-8, 2007 [29] Blake J., Gurocak H B Haptic Glove With MR Brakes for Virtual Reality, IEEE/ASME Transactions On Mechatronics, 14(5), 606-615, 2009 [30] Oh J S., Choi S H., Choi S B., Design of a 4-DOF MR haptic master for application to robot surgery: virtual environment work, Smart Material and Structures, Vol.23(9), 2014 [31] Najmaei N., Asadian A., Kermani M., Patel R Design and Performance Evaluation of a Prototype MRF-based Haptic Interface for Medical Applications, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 1–1, 2015 28 [32] Utkin V I., Variable Structure systems with Sliding Modes IEEE Transaction on Automatic Control, 22, 2, 212-222, 1977 [33] Najmaei N., Asadian A., Kermani M., Patel R., Design and Performance Evaluation of a Prototype MRF-based Haptic Interface for Medical Applications, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 1–1, 2015 29