Tuy nhiên, khi sử dụng trong các thiết bị hỗ trợ vận động cho người khuyết tật, cơ cấu cân bằng trọng lực cần phải có kết cấu nhỏ gọn, nhẹ và phải điều chỉnh được tải trọng dễ dàng.. Vì
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CHÂU NGỌC LÊ PHÁT TRIỂN VÀ TỐI ƯU HÓA CƠ CẤU CÂN BẰNG ận Lu TRỌNG LỰC SỬ DỤNG CƠ CẤU MỀM án tiế n LUẬN ÁN TIẾN SĨ sĩ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ Y c họ Tp, Hồ Chí Minh, tháng 5/2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CHÂU NGỌC LÊ Lu PHÁT TRIỂN VÀ TỐI ƯU HÓA CƠ CẤU CÂN BẰNG ận TRỌNG LỰC SỬ DỤNG CƠ CẤU MỀM NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 9520103 án n tiế sĩ Người hướng dẫn khoa học 1: TS Đào Thanh Phong Y Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS Lê Hiếu Giang c họ Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Tp Hồ Chí Minh, tháng 5/2023 ận Lu án n tiế sĩ Y c họ LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu Luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng năm 2023 (Ký tên ghi rõ họ tên) ận Lu Châu Ngọc Lê án n tiế sĩ Y c họ i CẢM TẠ Bằng tất lịng, tơi xin cảm ơn q thầy Ban giám hiệu, phịng ban trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM tạo điều kiện cho học tập, nghiên cứu nhà trường Tôi xin gửi lời tri ân đến quý thầy cô ban chủ nhiệm quý thầy khoa Cơ khí Chế tạo máy trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh tận tình giảng dạy cho tơi suốt q trình học tập Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn đến hai thầy hướng dẫn khoa học: PGS TS Lê Lu Hiếu Giang (Phó hiệu trưởng phụ trách, trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố ận Hồ Chí Minh) TS Đào Thanh Phong (Viện Khoa học Tính tốn, trường Đại học Tơn nghiên cứu án Đức Thắng) Nếu không nhận giúp đỡ hai thầy, tơi khó hồn thành tiế Tơi xin gửi lời cảm ơn đến quý đồng nghiệp tơi khoa Cơng nghệ Cơ khí, n sĩ trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh giúp đỡ tơi q trình học Y tập nghiên cứu Xin chân thành cảm ơn đến bạn LAB Cơ Cấu Mềm đồng họ hành tơi q trình nghiên cứu c Tơi xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô dành thời gian q báu để tham gia phản biện khoa học tham gia hội đồng đánh giá luận án Một lần nữa, xin chân thành cảm ơn Châu Ngọc Lê ii TÓM TẮT Hiện nay, số người bị đột quỵ ngày tăng tuổi người đột quỵ ngày trẻ Đột quỵ dẫn đến biến chứng ảnh hưởng đến hoạt động hàng ngày Điều tạo gánh nặng cho gia đình xã hội Để cải thiện khả hoạt động người bị đột quỵ, thiết bị hỗ trợ vận động tập luyện phục hồi chức phát triển Trên thiết bị này, cấu cân trọng lực thường sử dụng Cơ cấu cân trọng lực phận dùng để loại bỏ ảnh hưởng trọng lực khối lượng tạo Khi vật di chuyển thiết bị có sử dụng cấu cân Lu trọng lực, xem di chuyển môi trường lý tưởng Lúc này, ận lượng cần thiết để di chuyển vật gần không Nhờ đặc tính trội này, cấu cân trọng lực ứng dụng nhiều lĩnh vực như: khoa học, công nghệ án đời sống Tuy nhiên, sử dụng thiết bị hỗ trợ vận động cho người khuyết tật, tiế cấu cân trọng lực cần phải có kết cấu nhỏ gọn, nhẹ phải điều chỉnh tải n trọng dễ dàng Trong đó, cấu cân trọng lực vừa nhỏ gọn, nhẹ điều sĩ chỉnh tải trọng dễ dàng chưa nghiên cứu nhiều Vì vậy, luận án trình Y bày thiết kế cấu cân trọng lực sử dụng cấu mềm để đạt tính nhỏ c họ gọn, nhẹ dễ điều chỉnh tải trọng thay đổi Dựa phân tích cấu cân trọng lực, nghiên cứu đề xuất nguyên lý cân với tổng mô men tác dụng không Thiết kế nguyên lý cấu cân thực kết hợp lò xo phẳng khớp xoay mềm Nguyên lý phương pháp điều chỉnh độ cứng lò xo phẳng đề xuất nghiên cứu Bên cạnh đó, giá trị độ cứng lò xo phẳng khớp xoay mềm tính tốn tương ứng với khối lượng mà cấu cần di chuyển Việc tính tốn thực phương pháp cân tĩnh Dựa kết tính tốn, thiết kế, luận án phát triển hai mơ hình cho khớp iii xoay mềm Mơ hình khớp xoay thứ phát triển cách kết hợp lị xo xoắn phẳng Sau đó, thông số thiết kế tối ưu kết hợp phương pháp phần tử hữu hạn, đáp ứng bề mặt thuật toán tối ưu bầy đàn Kết khớp xoay thứ xác định kích thước chiều dày t= 0,94 mm không gian R= 40 mm Kết dự đoán so sánh với kết mô với sai số 6,1 % cho khối lượng, 1,68 % cho biến dạng 5,6% cho ứng suất Mơ hình khớp xoay thứ hai phát triển cách kết hợp phương pháp tối ưu hóa cấu trúc Topo, phần tử hữu hạn, mạng nơ ron mờ thích nghi giải thuật chu kỳ nước – thiêu thân Kết tối ưu tạo khớp xoay thứ hai với thơng số hình học bao gồm r1= 0,5 mm, t1= 0,36 mm, t2= 0,41 mm, l1= 11,3 mm, l2= 14,74 mm So sánh với mô phỏng, sai số 4,59% cho mô men, 4,16 Lu % cho ứng suất 4,73% cho lượng ận Dựa kết thiết kế nguyên lý cấu cân trọng lực, hai quy trình thiết kế, phân tích tối ưu hóa cho lị xo phẳng đề xuất Trong việc thiết kế án tính tốn cho lị xo phẳng thứ nhất, quy trình tạo phương pháp lai mơ tiế phần tử hữu hạn, đáp ứng bề mặt thuật toán tối ưu di truyền đa mục tiêu Dựa n quy trình đề xuất, kết cấu lò xo phẳng thứ thiết kế tối ưu hóa sĩ Kết tìm thơng số hình học có chiều dài 40,725 mm, chiều dày 0,940 mm Y chiều rộng 9,602 mm So sánh kết dự đốn mơ tìm thấy sai số nhỏ họ 0,001% cho khối lượng, 5,78% cho ứng suất 1,65% cho biến dạng Trong việc c thiết kế tính tốn cho lị xo phẳng thứ hai, quy trình tạo kết hợp phương pháp phân tích phần tử hữu hạn, mạng nơ ron học sâu thuật toán chu kỳ nước Dựa quy trình đề xuất, kết cấu lị xo phẳng thứ hai thiết kế tối ưu Kết tìm kích thước lị xo phẳng thứ hai gồm t= 1,029 mm, L= 45 mm, w= mm r= 0,3 mm Kết sai số dự đốn với kết mơ 1,87% cho lượng, 1,69% cho biến dạng 3,06% cho ứng suất Từ kết thiết kế tối ưu, cấu cân trọng lực chế tạo thiết lập thực nghiệm Kết thực nghiệm chứng minh cấu cân đề xuất đạt cân iv tải thay đổi phạm vi 250 gr đến 1000 gr Khi cấu làm việc vị trí 30,6o, sai số mô men khối lượng mô men cấu tạo tải trọng thay đổi 0,25 kg, 0,4 kg, 0,6 kg, 0,8 kg, 0,9 kg 1kg tương ứng 2,91%, 4,5%, 2,86%, 3,27%, 0,25% 3% Quá trình điều chỉnh để trì trạng thái cân khơng cần sử dụng lượng ận Lu án n tiế sĩ Y c họ v ABSTRACT Nowadays, large numerous amounts of people having a stroke are increasing while the age of stroked people is getting younger and younger The stroke has strictly influenced on the life and movement of disabled people This creates a burden on the family and society To enhance the moving ability of stroked people, mobility and rehabilitation training devices have been developed In these devices, gravity balancing mechanism (GBM) is always employed GBMs are utilized to eliminate the gravity influence which is caused by mass By Lu using a gravity balancer, when an object is moved, it is considered as a movement in an ận ideal environment As a result, the required energy is almost equal to zero Due to this outstanding feature, numerous GBMs have been applied in many fields of science, án engineering, technology, and life For disabled mobility aids, gravity balancers should tiế have a compact size, a lightweight, and a simple load adjustment Nevertheless, such n these GBMs have not been researched and developed yet Therefore, this thesis presents sĩ a design synthesis and analysis of a new GBM based on compliant mechanisms Y họ Based on the analysis of the previous studies on GBMs, the principle of balance is determined via total torques on the mechanism are equal to zero The principal design of c the proposed GBM is developed by a combination of a planar spring and a compliant rotary joint The principle and the adjusting procedure of the stiffness for the planar spring are presented under different balanced loads In addition, the stiffnesses of the planar spring and the rotary joint are computed through a static equilibrium method In this thesis, two models for the compliant rotary joint are developed The first model is developed using the tortional springs The geometrical parameters of the 1st rotary joint are optimally determined through a combination of the finite element analysis method, response surface method, and swarm optimization algorithm The vi results of the 1st rotary joint found the optimal factors at t= 0.94 mm and R= 40 mm The predicted results are compared with the simulation results with an error of 6.1% for mass, 1.68% for strain, and 5.6% for stress The 2nd rotary joint is developed based on a combination of the Topology method, finite element analysis method, adaptive networkbased fuzzy inference system, and water cycle-moth flame optimization algorithm The results of 2nd rotary joint identified the best factors at r1= 0.5 mm, t1= 0.36 mm, t2= 0.41 mm, l1= 11,3 mm, and l2= 14.74 mm The estimated values are also compared with the simulation with an error of 4.59% for moment, 4.16% for stress and 4.73% for energy Based on the calculating results of the proposed GBM, this thesis introduces two design synthesis processes for the planar spring In the 1st model of the planar spring, the Lu design process is built via a combination of finite analysis method, response surface ận method, and multi-objective genetic optimization algorithm The results of the 1st planar spring determined the optimal parameters, including a length of 40.725 mm, a thickness án of 0.940 mm, and a width of 9.602 mm The error between the predicted and the tiế simulation is less than 0.001% the mass, 5.78% for the stress, and 1.65% for the strain n In the 2nd model of planar spring, the design process is formulated by a hybridization of sĩ finite element analysis method, deep forward neural network, and water cycle algorithm Y The results of the 2nd planar spring found the best factors at t= 1.029 mm, L= 45 mm, w= họ mm, and r= 0.3 mm The comparison between the prediction and the simulation shows c that the energy error is about 1.87%, the strain is 1.69%, and the stress is 3.06% Finally, the GBM is fabricated and experimentally set up Experimental results show that the proposed GBM achieves a balance when the load is changed from 250 grams to 1000 grams When the developed GBM works at 30.6 degrees, the errors between the torque caused by the mass and the torque retrieved from the mechanism are calculated These errors are approximately 2.91% 4.5%, 2.86%, 3.27%, 0.25% and 3% with respect to a change in the load from 250 grams, 400 grams, 600 grams, 800 grams, 900 grams and 1000 grams The adjustment process does not require energy vii