Thiết kế và chế tạo tay gắp mềm cho hệ thống đóng gói, phân loại rau củ quả nông sản

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Giới thiệu đề tài

Trong những năm trở lại đây, trong lĩnh vực Robot, cơ cấu tay gắp mềm xuất hiện như là một xu thế mới trong định hướng nghiên cứu và phát triển bởi sự linh hoạt của nó Tay gắp mềm có thể gắp được các vật có nhiều hình dạng khác nhau, các vật mềm, dễ vỡ, dễ bị dập nát ví dụ như các loại sản phẩm thực phẩm hoặc trái cây nông sản Ngoài ưu điểm có thể gắp được vật đa hình dạng mà không gây tác động xấu tới sản phẩm, tay gắp mềm còn được chế tạo bằng các vật liệu không gây hại tới môi trường Cụm gắp mềm được lắp ráp bởi nhiều ngón tay, mỗi ngón tay được thiết kế có các khoang thông nhau được truyền động bằng khí nén Kiểu hình thiết kế này đã khá phổ biến khi được ứng dụng vào dây chuyền đóng gói sản phẩm Trên thế giới, việc nghiên cứu, ứng dụng robot mềm nói chung và tay gắp mềm nói riêng trong đời sống thực tiễn đã có những bước tiến lớn Tại Hội nghị Quốc tế lĩnh vực Robot và Tự động hoá diễn ra ở Pháp, nhà nghiên cứu Christian Duriez và những đồng nghiệp của ông, căn cứ trên phương pháp phần tử hữu hạn đã đưa ra đề tài liên quan về bộ điều khiển bàn tay gắp mềm trên thời gian thực Nhóm nghiên cứu đã xây dựng một ma trận giữa phần cuối của cơ cấp chấp hành và bộ phận truyền động, sau đó viết thuật toán tìm ra đáp án cho yêu cầu ban đầu [7] Thông qua các mẫu thử có các cấu trúc song song và nối tiếp, sau đó lại thử nghiệm bằng các mẫu kẹp mềm được chế tạo từ vật liệu siêu đàn hồi silicone, nhóm nghiên cứu đã minh họa được phương pháp sử dụng

Ngoài việc gia công, chế tạo ngón tay mềm bằng phương pháp đúc, tiếp những năm sau đó (năm 2016), Hong Kai Yap và cộng sự của mình đã tiếp tục nghiên cứu chế tạo bằng phương pháp mới, đó là sử dụng phương pháp in 3D Với phương pháp sử dụng công nghệ in 3D kỹ thuật cao, nhóm nghiên cứu của ông đã có thể in trực tiếp ngón tay gắp mềm bằng phương pháp này, đồng thời mô phỏng quá trình biến dạng bằng Abaqus

Zhongkui Wang đã cho thử nghiệm các cấu trúc cũng như vật liệu chế tạo thành tay gắp mềm, từ đó ông đã đưa ra những đánh giá và tìm ra được cấu trúc tối ưu hóa nhất cho tay gắp mềm có thể gắp và giữ vật có khối lượng lớn nhất nhưng với áp suất khí cấp vào nhỏ nhất

[10] Thông qua các thí nghiệm về gắp hộp thức ăn, việc nghiên cứu về ứng dụng của tay gắp mềm đã được mở rộng hơn

Thiết kế cấu trúc, hình dạng tay gắp mềm sau đó trở thành vấn đề được quan tâm, chú ý nhiều hơn Thông qua những nghiên cứu liên quan gắp hộp đồ ăn thì phạm vi nghiên cứu các tính năng của bàn tay gắp mềm đã được mở rộng

Rất đông những đội nghiên cứu đã sử dụng phương pháp tối ưu hình học để thu về kích thước tốt nhất Trong khuôn khổ Hội nghị Quốc tế lĩnh vực Robot và Công nghệ thông minh ở Canada cùng Hội nghị Quốc tế về Kỹ thuật và Công nghiệp lần thứ XXII ở Hoa Kỳ cuối

2 năm 2017, Hongying Zhang và nhóm của ông đã nghiên cứu và đưa ra sản phẩm gắp mềm có hình dạng ống rỗng chữ nhật Nhờ vào các thuật toán tối ưu nhằm biến đổi các tham số hình học ngón tay mềm, Hongying Zhang thu được cấu trúc hình dạng tối ưu nhất và sau đó được mô phỏng kiểm nghiệm sự thay đổi biến dạng bằng phần mềm Abaqus

Năm 2018, Hongying Zhang đã nghiên cứu, phát triển thêm và cho ra mắt cơ cấu gắp mềm có hình dạng đa vật liệu được tối ưu hóa, được triển khai bởi một công cụ mới bằng cách tích hợp mã hóa CAE/Abaqus và Matlab Ở công cụ này, mã hóa Matlab được sử dụng để thực hiện các bước khởi tạo, xử lý, cập nhật biến mô hình và xử lý hậu kỳ, còn CAE/Abaqus sẽ giải quyết phương trình thay đổi và phương trình trạng thái trong [7] Miễn là mô hình tối ưu hoá tự động xác định đúng trong Matlab thì sẽ tự động có hiệu quả trong vấn đề tối ưu hoá các cấu trúc tự xác định Vì vậy, các yêu cầu được tối ưu hoá tự động xác định bằng các giải pháp mới hoàn toàn có thể thực hiện với phí triển khai thấp

Hình 1.1: Sự thay đổi, phát triển của tay gắp mềm qua từng năm

Hình 1.2: Một vài công trình nghiên cứu Soft gripper gần đây

Tại Việt Nam, đề tài nghiên cứu về Soft – Gripper hiện đang là một hướng đi tương đối mới Vì vậy, số lượng nghiên cứu về lĩnh vực này chưa thực sự nhiều Tuy nhiên, khoa học công nghệ đang ngày càng phổ biến, nhiều nhà khoa học và nghiên cứu của Việt Nam đã và đang có sự quan tâm hơn về chủ đề này Một đề tài nghiên cứu tại Việt Nam có liên quan tới có thể kể đến là của Tiến Sỹ Phùng Văn Bình cùng nhóm nghiên cứu đến từ Học viện Kỹ thuật Quân sự, đã nghiên cứu thành công việc giả lập mô phỏng hệ thống tay gắp mềm bao gồm 3 ngón, sử dụng khí nén để điều khiển truyền động Về cấu tạo, cụm tay gắp gồm có phần cứng cố định và 3 ngón tay mềm cầu thành bởi 3 phần khác nhau, lần lượt là nắp, lớp giấy và thân Các ngón tay mềm được chế tác và sản xuất theo công nghệ dập khuôn mẫu với chất liệu sử dụng là loại silicone RTV 225 Ở phía bên trong những ngón tay mềm là bao gồm những khe trống khí và khi được cung cấp áp suất khí bơm vào, nhờ có lớp giấy có chức năng giống lớp trung hòa, những ngón tay mềm sẽ từ từ uốn cong dọc trục về phía ngược lại và điều đó gây ra sự biến dạng cần thiết để gắp đồ vật Thông qua những dữ liệu, hình ảnh thí nghiệm và so sánh kết quả của thí nghiệm với mô phỏng giả lập trong Abaqus đo độ biến dạng của ngón tay mềm khi bị tác

4 dụng của áp suất khí nén, tác giả đã đưa đến kết quả sai số nằm trong giới hạn cho phép [3] Để chứng minh tác dụng của phương pháp trên thì một chuỗi thử nghiệm trên một ngón tay cũng tương tự gắn trên cánh tay robot đã được tiến hành Các kết quả nghiên cứu phát hiện thấy các ngón tay gắp mềm đã được cải thiện cho phép cầm nắm dễ dàng những vật thể có đường kính khoảng 35 – 100mm và có hình dạng ngẫu nhiên có khối lượng cao nhất là 137,7gram

Như vậy, ngoài tình hình nghiên cứu về đề tài này trong và ngoài nước đã được đề cập với những thiếu sót phía trên, bên cạnh đó, đối với Việt Nam nói riêng, áp dụng công nghệ tay gắp mềm vào quy trình sản xuất nông nghiệp, đặc biệt là trong quy trình gắp và phân loại nông sản còn khá mới và chưa được ứng dụng nhiều đối với các doanh nghiệp Có thể thấy rằng, nông nghiệp hiện đang là một trong những định hướng chủ đạo để phát triển của chính phủ Với ưu thế có vị trí địa lý tốt, khí hậu nhiệt đới, nước ta rất thuận lợi và có tiềm năng lớn để phát triển các loại sản phẩm nông nghiệp, đặc biệt là trong việc trồng các loại cây nông sản Việc xuất khẩu các loại trái cây nông sản ra khu vực và thế giới đã mang lại lợi nhuận cao cho đất nước cũng như thu nhập cho người dân Việt Nam là quốc gia đang thúc đẩy phát triển công nghiệp hóa, hiện đại hóa, áp dụng các sản phẩm công nghệ vào trong lĩnh vực sản xuất, dấn đến nhu cầu ngày một tăng Đặc biệt, nước ta là một quốc gia có thế mạnh về sản xuất nông nghiệp, tuy nhiên trong nông nghiệp vẫn chưa được áp dụng rộng rãi công nghệ vào các quy trình sản xuất, vậy với việc áp dụng công nghệ tay gắp mềm vào việc gắp và phân loại trái cây nông sản sẽ giúp tiết kiệm thời gian, tăng năng suất sản phẩm

Trong nông nghiệp, việc phân loại các sản phẩm nông sản vô cùng quan trọng vì mỗi loại nông sản có những tính chất, cấu tạo hình dáng riêng biệt Do đặc thù hình dạng của các loại nông sản nông nghiệp có các kiểu dáng đa dạng và có độ cứng khác nhau, do đó, việc sử dụng những loại tay gắp bình thường để gắp có thể gây tổn thương, hư hại sản phẩm nông sản, ảnh hưởng tới chất lượng của chúng, đặc biệt là các loại rau củ, trái cây

Trên thế giới hiện nay cũng đã xuất hiện những cơ cấu tay gắp mềm để gắp được những sản phẩm nông sản với các loại hình dạng khác nhau và có thể tạo ra lực kẹp phù hợp với mỗi loại nông sản Tuy nhiên, công nghệ này lại chưa thực sự được áp dụng rộng rãi trong ngành sản xuất phân loại trái cây nông sản ở Việt Nam Việc ứng dụng cơ cấu tay gắp mềm này trong việc phân loại nông sản sẽ tiết kiệm được thời gian, chất lượng sản phẩm được nâng cao, quy trình phân loại, đóng gói được đảm bảo chính xác

Với việc phát triển nghiên cứu và đưa tay gắp mềm vào sử dụng trong quy trình sản xuất, tay gắp mềm sẽ đóng vai trò là một bộ phận quan trọng trong dây chuyền sản xuất công nghiệp hiện đại để gắp, phân loại và vận chuyển sản phẩm tự động Tay gắp mềm đã trở thành một trọng tâm nghiên cứu hiện nay, trong đó tay gắp mềm sử dụng hệ thống khí nén đã được áp dụng rộng rãi nhờ tính linh hoạt cao, quy trình chế tạo thấp, phản ứng nhanh và khả năng

5 thích ứng với môi trường tốt Vì những lý do trên, nhóm lựa chọn đề tài “ Thiết kế và chế tạo tay gắp mềm cho hệ thống đóng gói, phân loại rau củ nông sản ” làm đề tài cho đồ án tốt nghiệp.

Mục tiêu đề tài

- Thiết kế, chế tạo cụm tay gắp mềm

- Khảo sát mối quan hệ góc uốn với áp suất khí đầu vào

- Đánh giá ảnh hưởng của các thông số thiết kế tới góc uốn

- Thiết kế, tính toán phần công suất; chọn thiết bị, linh kiện, bộ điều khiển

- Đưa ra thuật toán điều khiển hợp lý để điều khiển bộ tay gắp mềm

Giới hạn đề tài

Đề tài hướng đến là thiết kế, chế tạo tay gắp mềm cho hệ thống đóng gói, phân loại rau củ nông sản, đưa ra sản phẩm ứng dụng vào trong thực tế.

Kết cấu đề tài

Đồ án Tốt nghiệp bao gồm 5 chương trong đó: Chương 1 trình bày về tổng quan giới thiệu đề tài; Chương 2 trình bày về cơ sở lí thuyết; Chương 3 đề cập đến thiết kế, chế tạo tay gắp mềm và mô phỏng phân tích chuyển động; Chương 4 nói tới xây dựng bộ điều khiển và Chương 5 đề cập tới kiểm nghiệm, đánh giá thực tế

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Các loại tay gắp công nghiệp hiện nay

Tay gắp là thiết bị cho phép thao tác giữ một vật thể, hay nói một cách đơn giản hơn, tay gắp là thiết bị giúp cho robot có thể cầm, nắm vật thể Tay gắp robot công nghiệp có vai trò then chốt trong tự động hóa hiện đại vì chúng cấu thành bộ phận cuối cùng của cánh tay robot, do đó chúng tiếp xúc trực tiếp với sản phẩm để kẹp Tay gắp đóng vai trò quan trọng trong việc chế tạo, lắp ráp và sản xuất, được sử dụng trong các nhà xưởng, xí nghiệp, nhà máy hiện đại trên toàn thế giới Công việc chủ yếu của tay gắp là gắp, nâng lên, hạ xuống, di chuyển sản phẩn, thiết bị từ chổ này qua chổ khác Với việc sử dụng tay gắp trong sản xuất sẽ giúp tiết kiệm thời gian hơn so với con người; giúp tăng năng suất, sản lượng trong sản xuất công nghiệp; hoạt động thực hiện chính xác và có tính nhất quán, hạn chế được những bất cẩn; hạn chế không gian làm việc bởi chúng được thiết kế nhỏ gọn, nhẹ Tùy vào tính chất công việc mà tay gắp sẽ được thiết kế để phù hợp với công việc đó

Tay gắp robot cứng là tay gắp được chế tạo từ vật liệu cứng, sử dụng dây cót không dãn để nối với động cơ, giúp cho việc điều khiển co lại của các ngón tay và sử dụng lực đàn hồi của lò xo xoắn để giúp các ngón tay duỗi ra Hiện nay đã có rất nhiều bàn tay robot được nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng vào thực tiễn như: Kanguera hay Shadow Hand

Hình 2.1: Kanguera và Shadow Hand

Trên thị trường hiện nay có rất nhiều các loại kẹp khác nhau được thiết kế với đa hình dạng Ví dụ như một số tay gắp được thiết kế giống như bàn tay còn người, gồm 5 ngón hoặc cũng có những thiết kế có hình dạng cần móc, hay những loại tay gắp cơ khí, tay gắp gồm các giác hút chân không, …

Một vài loại tay gắp trên thị trường hiện nay:

Hình 2.2: Tay gắp khí nén

Tay gắp khí nén thường có cấu hình 2 hoặc 3 ngón, sử dụng áp suất khí nén và pittong để kích hoạt các ngón tay, có thể thực hiện các thao tác một cách linh hoạt và được ứng dụng rất nhiều Ưu điểm: lực gắp lớn, giá rẻ, phản ứng nhanh và có thể hoạt động trong không gian hẹp Nhược điểm: mặc dù có thể xử lý được từng khâu đơn lẻ tuy nhiên không thích hợp với những doanh nghiệp có nhiều sản phẩm khác nhau và với sản lượng nhỏ Điều khiển vị trí và lực có hạn chế do chỉ có máy nén mới vận hành được

Hình 2.3: Tay gắp thủy lực

Tay gắp thủy lực thường thiết kế với các xilanh vừa và nhỏ do áp suất thủy lực lớn hơn nhiều so với áp suất khí nén

Nguyên lý làm việc bao gồm xilanh tác động trực tiếp vào một cơ cấu nêm, cơ cấu này sẽ truyền lực tới các ngón tay và hàm kẹp Sử dụng cơ cấu nêm làm tăng lực kẹp và tinh gọn Ưu điểm: công suất gắp vượt trội

Nhược điểm: liên quan tới vấn đè xử lí dầu, máy bơm và bể chứa nước, vì vậy rất tốn kém chi phí bảo trì

Hình 2.4: Tay gắp chân không

Tay kẹp chân không dùng sự chênh lệch của áp lực khí và chân không nhằm nhấc, cầm và vận chuyển vật, được sản xuất ra bởi máy bơm chân không mini hoặc máy bơm hoạt động bởi khí nén Ưu điểm: giá thành rẻ, có khả năng xử lí nhiều vật phẩm khác nhau

Nhược điểm: phí điện năng đắt hơn để chạy máy bơm hơi nén hoặc máy bơm chân không cao và không thích hợp để sử dụng trong điều kiện bụi bặm

Tay gắp điện thông thường sẽ có dạng hai hàm và ba hàm gắp và cả 3 hàm gắp đều được sử dụng nhằm xử lý những vật thể tròn hoặc trụ Điểm nổi trội của tay gắp điện đối với công nghiệp chế tạo chính là khả năng điều khiển Phần lớn những tay gắp điện đều gắn liền với những vi xử lý giúp bạn điều khiển tốc độ và công suất gắp Ưu điểm: có thể linh hoạt xử lý nhiều bộ phận khác nhau nên thích hợp đối với những công việc yêu cầu tốc độ cao và công suất gắp lớn hoặc vừa

Nhược điểm: tay gắp điện thường có công suất gắp thấp hơn tay gắp khí nén mà giá cũng cao hơn

Mặc dù các loại tay gắp cứng (truyền thống) có thể đạt được chuyển động phức tạp và chính xác, nhưng nó thường cần một số lượng lớn các khớp liên kết cứng nhắc để đạt được điều khiển chuyển động Tay gắp cần có sự linh hoạt nhất định để tránh làm hư hại các vật dễ vỡ, các vật dễ bị tổn thương trong quá trình thực hiện nhiệm vụ Để giải quyết vấn đề này, tay gắp mềm được nghiên cứu và cho ra đời.

Các loại tay gắp mềm

Trong vài năm trở lại đây thì trái cây đã trở thành một trong các mặt hàng nông sản được tin tưởng bởi người dân trồng trên khắp thế giới Đặc biệt tại Việt Nam hiện nay với thời tiết thuận tiện cho việc canh tác trồng trọt thì ngành chế biến trái cây nông sản đã và đang được chú trọng đẩy mạnh Để nông sản không phải ảnh hưởng tới chất lượng thì việc phân loại có ý nghĩa rất lớn Tuy nhiên, hầu hết những trang trại và doanh nghiệp tại Việt Nam thì việc phân loại và đóng gói trái cây nông sản vẫn đang phải làm thủ công bằng tay dẫn đến sản lượng trái cây ngày càng giảm sút và hao tốn thêm công sức và tiền bạc đồng thời gây rất

10 nhiều sai sót trong khâu phân loại Chính vì thế, nhằm khắc phục được tình trạng trên thì việc ứng dụng kỹ thuật hiện đại trong quá trình phân loại là vô cùng quan trọng

Hiện nay, trên thị trường đã xuất hiện rất nhiều các loại hình công nghệ phục vụ cho khâu phân loại nông sản, trong đó được sử dụng phổ biến là các loại tay gắp mềm Tay gắp mềm là loại tay gắp có thể gắp các loại sản phẩm có hình dạng lạ và các sản phẩm mỏng manh, dễ vỡ Tay gắp bao gồm các ngón tay mềm được làm từ các chất liệu đàn hồi mềm và chạy bằng khí nén vì vậy việc gắp trái cây sẽ không gây ra tổn thương vật lý Tay gắp có cấu tạo nhỏ gọn, hoạt động linh hoạt, nhanh Một số loại tay gắp mềm trên thị trường như:

Các ngón tay mềm của Cobot soft griper được điều khiển bằng khí nén, làm bằng cao su silicon được FDA chấp thuận với tuổi thọ hơn 10 triệu chu kỳ Chúng nhanh chóng và dễ dàng gắn vào đế bằng cách sử dụng khóa lưỡi lê độc đáo của chúng Những ngón tay không có cạnh sắc và các ngón tay linh hoạt không gây nguy hiểm khi làm việc Cobot Soft Gripper phù hợp trên mọi loại Cobot và cả trên mọi loại rô bốt công nghiệp khác Cobot Soft Gripper có khả năng chọn và giữ đồ vật của bạn một cách chắc chắn, nhưng đồng thời chất liệu của nó cũng mềm mại và nhẹ nhàng cho sản phẩm

Hình 2.7: The OnRobot Soft Gripper

OnRobot Soft Gripper sử dụng ba cốc đúc silicon có thể hoán đổi cho nhau để gắp chính xác hầu hết mọi vật thể nhỏ dưới 2,2kg bằng một cú chạm chính xác Dụng cụ cuối cánh tay linh hoạt (EOAT) có các cấu hình hình sao và bốn ngón Không giống như các bộ kẹp chân không truyền thống, bộ tạo hiệu ứng cuối mới không yêu cầu cung cấp không khí bên ngoài, vì vậy nó có thể giảm cả chi phí và độ phức tạp

Theo OnRobot bao gồm các tính năng sau:

 Tải trọng lên đến 2,2kg (4,8 lb.) dựa trên hình dạng, độ mềm và độ ma sát của vật được xử lý

 Kích thước tay cầm từ 11 đến 118mm (0,43 đến 4,64 in.) tùy thuộc vào cốc được sử dụng

 Chứng nhận từ Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA)

 Cốc silicon linh hoạt, có thể thay thế cho nhau

 Không cần cung cấp không khí

 Triển khai nhanh chóng, linh hoạt với tích hợp liền mạch trên tất cả các thương hiệu robot lớn

Trong khi tay gắp robot thông thường được thiết kế gắp và đặt cho thực phẩm và đồ uống chọn tại chỗ, cũng như mỹ phẩm và dược phẩm, OnRobot cũng cung cấp khả năng cầm nắm linh hoạt cho sản xuất và đóng gói

Thay vì được phát triển với một chức năng kẹp cụ thể, OctopusGripper có thể đa nhiệm – có nghĩa là nếu dây chuyền sản xuất thay đổi, thiết bị linh hoạt có thể được điều chỉnh thay vì thay thế, có khả năng tiết kiệm chi phí Cấu trúc silicone mềm của nó có một khoang chạy dọc theo chiều dài của nó khiến cho xúc tu uốn cong vào trong khi áp dụng khí nén, tự quấn quanh các vật thể có hình dạng khác nhau Được thiết kế để cầm chắc chắn nhưng nhẹ nhàng, để không làm nát hoặc làm hỏng bất cứ thứ gì nó đang cầm, các giác hút nhỏ ở đầu mỏng của xúc tu gắn vào bề mặt của một vật thể một cách thụ động, nhưng tám trong số các cốc lớn hơn ở đầu kia thì được kết nối với một đường chân không có thể được tham gia tích cực trong quá trình kẹp chặt

Từ những ưu nhược điểm của các loại tay gắp trên thì “Tay gắp mềm” là lựa chọn phù hợp nhất dùng cho khâu phân loại nông sản Với cấu tạo bao gồm 2 phần chính là ngón tay mềm và đế kẹp thì tính toán chế tạo, gia công ngón tay mềm rất quan trọng vì nó phụ thuộc vào áp suất khí đầu vào.

Vật liệu và đặc trưng cơ tính của vật liệu

Tay gắp mềm khai thác sự tuân thủ và tính linh hoạt của vật liệu để chế tạo ra những cơ cấu thao tác có khả năng thích ứng cao và cho phép tương tác an toàn với các đối tượng và môi trường Tay gắp mềm được cấu tạo chủ yếu từ các vật liệu liên quan tới Young’s modulus có thể so sánh với các vật liệu sinh học mềm, ví dụ như cơ, da, gân [11] Điều này bao gồm các vật liệu như silicone, cao su hoặc các polyme đàn hồi khác có thể dễ dàng sản xuất với các yếu tố hình thức và đặc tính vật liệu khác nhau

Không chỉ đạt được khả năng biến dạng và độ mềm bằng cách sử dụng vật liệu mềm/siêu đàn hồi về bản chất mà còn bằng cách khai thác hình thái và đặc tính của vật liệu Mặc dù có nhiều ưu điểm của vật liệu siêu đàn hồi, việc sử dụng chúng có những thách thức về phản ứng phi tuyến tính, khó khăn trong việc tạo mô hình, yêu cầu tự sửa chữa, hiệu suất mỏi và các giới hạn chế tạo tiềm ẩn [15] Trong quy trình nghiên cứu thì việc phân tích và mô phỏng những cơ cấu mềm có thể truyền chuyển động bởi áp lực khí nén là một việc hết sức quan trọng và cũng có rất nhiều những trở ngại Hầu hết tất cả các thí nghiệm đã được thực hiện đều đa số là dùng phương pháp phần tử hữu hạn Tuy nhiên đa số những nhà nghiên cứu và các tác giả đều lựa chọn trực tiếp một loại mô phỏng kết cấu nào đấy khi mà họ không đưa ra những cơ sở hợp lý của việc lựa chọn nó Các thông số vật liệu thông thường đều căn cứ theo báo cáo của nhà sản xuất vật liệu cung cấp hoặc theo các kết luận thí nghiệm trước mà không đưa ra những thử nghiệm để kiểm chứng đặc tính của vật liệu cụ thể [3][6] Việc lựa chọn các mô hình kết cấu thông thường nếu không đúng với vật liệu và tính chất của kết cấu thì sẽ đưa ra được các kết luận không hợp lý Hơn thế nữa, một mô hình vật liệu sẽ phù hợp đối với những phép thử nghiệm đơn giản chứ không hẳn còn phù hợp đối với những bài toán cho tay gắp mềm với kết cấu và loại tải (áp lực) đặc trưng Như vậy việc tính các thông số của chất liệu siêu co giãn theo phương trình mật độ đàn hồi để chọn mức độ cứng thích hợp cho cấu trúc đã đề ra là việc đầu tiên và rất quan trọng Để tính vật liệu siêu đàn hồi biến dạng thì có khá nhiều mô hình tính khác biệt nhau bao gồm mô hình Yeoh, Mooney-Rivlin, Ogden và Neo-Hookean [4] Theo nhà sản xuất, có các mẫu độ cứng là: 20A, 25A, 30A, 35A, 40A, 45A Mỗi độ cứng sẽ tương ứng có 10 mẫu thử cho thực nghiệm để tìm ra mối quan hệ giữa ứng suất – biến dạng Dùng phương pháp bình phương nhỏ nhất để tìm ra đường cong Fit phù hợp thể hiện quan hệ ứng suất – biến dạng cho mỗi độ cứng [3]

Hình 2.9: Tổng hợp mối quan hệ ứng suất – biến dạng của mỗi độ cứng

Dữ liệu từ đường cong ứng suất biến dạng được rời rạc hóa và đưa vào phần mềm Abaqus để thu được các mô hình tương ứng với dữ liệu thực nghiệm Để xác định độ tương thích của mỗi mô hình với dữ liệu thực tế ta dùng hệ số tương quan R 2 với công thức tính như sau:

R 2 = 1 −Tổng các độ lệch bình phương phần dư

Tổng các độ lệch bình phương toàn bộ

Giá trị của hệ số dao động trong khoảng 0 đến 1, càng gần giá trị 1 mô hình xét càng phù hợp Nhận thấy rằng, mô hình Yeoh là phù hợp nhất [3]

Bảng 2.1: Hệ số tương quan R2 của mô hình Yeoh Độ cứng Mô hình Yeoh

Nhờ vào tính năng phân tích trong Abaqus dựa trên dữ liệu thực nghiệm, các hằng số vật liệu tương ứng với mô hình Yeoh được thể hiện trong bảng 2.2 dưới đây[3]

Bảng 2.2: Các hằng số vật liệu tương ứng với mô hình Yeoh Độ cứng C 10 C 20 C 30

Theo mô hình Yeoh, mật độ năng lượng biến dạng W:

15 với C i là các hằng số vật liệu

I1 là the first strain invariant được tính:

I1 = λ 1 2 λ 2 2 λ 3 2 với λ 1 , λ 2 , λ 3 là hệ số tỉ lệ giãn chính của vật liệu

C i là hằng số mô hình vật liệu sillicon được xác định bằng phương pháp thực nghiệm[4].

Kỹ thuật chế tạo

Một trong những phương pháp đơn giản nhất để tạo ra cơ cấu mềm là sử dụng quy trình đúc, trong đó khuôn, thường được in 3D, được sử dụng để sản xuất các cấu trúc dựa trên silicone hoặc các vật liệu siêu đàn hồi Điều này sẽ dẫn đến khả năng tạo ra các cơ cấu bằng việc sử dụng một quá trình đúc duy nhất để loại bỏ bất cứ vấn đề nào khi lắp ráp hoặc ghép nối các cấu trúc có tính chất khác biệt nhau [10] Bộ điều khiển được tạo bằng phương pháp này bao gồm thiết bị điều khiển sử dụng khí nén do phương pháp này giúp dễ tích hợp các buồng khí nén Các phương pháp truyền động khác có thể được sử dụng trong quy trình chế tạo cùng với những cơ cấu chuyển động điều khiển bởi gân cũng được tạo ra bằng những phương pháp tương tự [8] Đây là một phương pháp tạo mẫu rất nhanh và là một phương pháp có chi phí sản xuất thấp nhưng có thể đưa ra các cơ cấu chuyển động có cấu trúc bằng phẳng hơn Phương pháp trên cũng đã được sử dụng để phối hợp với một số quá trình và kĩ thuật khác được sử dụng trong tay kẹp mềm

2.4.2 Kỹ thuật in thạch bản mềm

Photolithography là một quá trình đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành khoa học và kỹ thuật bao gồm thiết kế MEMS, thiết kế cảm biến và quang điện tử Tuy nhiên, một quy trình tương tự, kỹ thuật in thạch bản mềm, có thể được sử dụng với nguyên tắc tương tự, tức là sử dụng các vật liệu mềm như poly (dimethylsiloxan) đàn hồi (PDMS) hoặc các loại cao su silicone khác Nhiều tay gắp đàn hồi chất lỏng mềm được sản xuất theo cách này do dễ dàng tạo ra các kênh Tay gắp đàn hồi silicon sử dụng truyền động đàn hồi và các phương pháp khác, chẳng hạn như truyền động theo hướng nổ đã được tạo ra bằng cách sử dụng kỹ thuật này [11] Do quá trình phân lớp được sử dụng trong phương pháp này, quá trình này hạn chế khả năng tạo ra các cấu trúc 3D thực sự, với các sản phẩm thường có hình thái phẳng, không thể đạt được cấu trúc 3D vô định hình

Khả năng in 3D các vật liệu có đặc tính vật liệu mềm hơn, đàn hồi hơn là một phát triển gần đây và là chìa khóa cho phép công nghệ phát triển nhanh chóng các tay gắp mềm Các kỹ thuật hiện đã được phát triển để cho phép in 3D các vật liệu mềm, các vật liệu siêu đàn hồi và cả thiết bị truyền động mềm, chẳng hạn như thiết bị truyền động chất đàn hồi điện môi [11]

Mặc dù in 3D cho phép in các vật liệu dẻo ở dạng hoàn toàn vô định hình, tuy nhiên, các vật liệu được sử dụng trong in 3D tương đối giòn so với cao su đúc nên thường không phù hợp với một số phương pháp truyền động yêu cầu áp suất cao su.

Phương pháp truyền động

Trong bộ kẹp mềm, việc cầm nắm/gắp vật thể có thể được thực hiện thông qua việc điều chỉnh các cấu trúc tuân thủ bị biến dạng bởi bộ truyền động bên ngoài hoặc tích hợp Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu sự nắm bắt mềm bằng cách tác động theo nhiều cách khác nhau, bao gồm: Bộ truyền động có cấu trúc thụ động với động cơ bên ngoài; Bộ truyền động chất đàn hồi lỏng; Polyme hoạt tính điện Sự biến dạng của các cấu trúc thụ động có thể khai thác các phản lực sinh ra từ sự tiếp xúc với vật thể hoặc bắt nguồn từ việc kéo cáp nhúng [11] Cơ cấu chấp hành chất lỏng đàn hồi dựa trên sự thổi phồng của cấu trúc ngăn đàn hồi của chúng, mà sự biến dạng của chúng được định hình thông qua việc sử dụng các dạng hình học không đối xứng hoặc các sợi gia cường Các polyme hoạt tính, chẳng hạn như bộ truyền động chất đàn hồi điện môi và vật liệu tổng hợp kim loại polyme ion, tích cực biến dạng để phản ứng với các kích thích điện

2.5.1 Truyền động có cấu trúc thụ động với động cơ bên ngoài

Khả năng nắm bắt/gắp mềm có thể đạt được nhờ các cấu trúc tuân thủ được chuyển động bởi các động cơ điện từ bên ngoài và thích ứng thụ động đến hình dạng của đối tượng Tính năng chính của phương pháp này nằm ở chỗ không có các phần tử hoạt động bên trong cấu trúc bộ kẹp tiếp xúc với đối tượng Do đó, có thể đạt được độ bền cơ học cao Ngoài ra, vì động cơ là bên ngoài, nên kích thước và trọng lượng của nó hầu như không phụ thuộc vào hình dạng của chính bộ gắp, cung cấp nhiều lựa chọn [11] Do đó, có thể đạt được lực cao bằng cách chọn động cơ có mô-men xoắn cao phù hợp Kiểu truyền động này có thể phân biệt thành hai loại: Loại đầu tiên dựa vào sự tiếp xúc với vật thể để kích hoạt sự biến dạng của cấu trúc tay cầm, dẫn đến việc nắm bắt, được gọi là biến dạng do tiếp xúc Loại thứ hai bao gồm bộ kẹp dẫn động bằng gân, trong đó tác động được truyền qua cáp nhúng trong cấu trúc Với cấu trúc biến dạng do tiếp xúc, khi cấu trúc chạm vào một vật thể, nó sẽ uốn cong phù hợp với bề mặt nắm bắt để ứng với các phản lực Bộ gắp mềm dựa trên phương pháp này được kích hoạt bởi động cơ servo bên ngoài cung cấp chuyển động quay hoặc song song chuyển động của các bộ phận cầm nắm Với bộ kẹp dẫn động bằng gân, chúng thường bao gồm một cơ thể có khớp nối nhiều bậc tự do được kích hoạt bởi một đường gân duy nhất Một cách tiếp cận là sử dụng bản lề làm bằng vật liệu đàn hồi, dẫn đến các hệ thống đơn giản hơn so với các khớp cứng với lò xo cơ học [8] Bản lề đàn hồi cho phép khai thác năng lượng uốn cong dự trữ để đưa các ngón tay được kích hoạt trở lại vị trí ban đầu Các ngón tay của thiết bị được làm từ các phân đoạn in 3D và các khớp uốn cao su được tích hợp nguyên khối bằng quy trình đúc Kỹ thuật này cũng cho phép tích hợp các cảm biến xúc giác và uốn cong

Hình 2.10: Hai kiểu truyền động có cấu trúc thụ động với động cơ bên ngoài

2.5.2 Bộ truyền động chất đàn hồi lỏng

FEA (còn được gọi là thiết bị truyền động khí nén mềm) là một trong những công nghệ truyền động lâu đời nhất nhưng vẫn được sử dụng rộng rãi nhất cho đến ngày nay dành cho robot mềm nói chung và tay gắp mềm rói riêng do một số ưu điểm bao gồm cả vật liệu đàn hồi dễ chế tạo, chắc chắn và chi phí thấp

Hình 2.11: Cơ cấu chấp hành chất lỏng đàn hồi (FEA)

Kích hoạt được thực hiện thông qua áp suất được tạo ra bởi chất lỏng (chất lỏng hoặc khí) trên một buồng được làm bằng vật liệu dễ biến dạng Các cấu trúc của FEA nói chung là không đối xứng theo hình học hoặc dị hướng bởi vật liệu để thổi phồng của buồng được chuyển đổi thành uốn của toàn bộ cơ cấu chấp hành [5] FEA có thể tạo ra lực lớn, tỷ lệ với áp suất của chất lỏng và với diện tích bề mặt nơi áp suất hoạt động được áp dụng Ví dụ, lực chặn 80 N ở 300 kPa và 112N ở 200 kPa đã được báo cáo Các hệ thống dựa trên chất lỏng

18 có thể có hành trình cực kỳ lớn vì chúng bị hạn chế chủ yếu bởi sức căng tối đa mà vật liệu có thể duy trì một cách đáng tin cậy FEAs uốn có thể đạt đến góc uốn khoảng 300° trong thời gian phản ứng xấp xỉ 0,05 giây đến 1,0 giây [11] Thời gian phản ứng phụ thuộc vào đặc tính tốc độ dòng chảy của máy bơm/máy nén vào thể tích bên trong của buồng và vào độ cứng của chất đàn hồi Có rất nhiều kiến trúc cho FEA, những thứ phổ biến nhất bao gồm: các khoang đàn hồi kéo dài với việc bổ sung các sợi và lớp gia cường, cấu trúc giống ống thổi và các xúc tu dạng ống Việc chế tạo FEA nói chung dựa vào việc đúc chất đàn hồi tạo thành buồng Quá trình đúc, xử lý vật liệu ở dạng lỏng của nó, cung cấp khả năng kết hợp các yếu tố chức năng trong bộ truyền động như sợi, các lớp không thể uốn được (ví dụ: giấy và vải), Một vài ví dụ về những nghiên cứu FEA như: bộ kẹp bốn ngón được phát triển bởi Suzumori và cộng sự: mỗi ngón tay, đường kính 12 mm và bao gồm ba khoang khí nén, có thể uốn cong theo bất kỳ hướng nào, dẫn đến việc cầm nắm khéo léo có thể thao tác các vật thể khác nhau (ví dụ: một cốc chứa đầy chất lỏng, một cờ lê kim loại) và thậm chí có thể siết chặt một bu lông nhỏ mà không cần sử dụng các công cụ [6] Một ví dụ khác về bộ kẹp ở quy mô lớn hơn bao gồm ba ngón tay FEA và có thể điều khiển một ống đồng và một bóng đèn mỏng manh Monkman và Taylor đã phát triển các ngón tay được điều khiển bằng khí nén làm bằng bọt nhớ hình dạng và thực hiện thao tác xử lý trái cây Sau những phát triển ban đầu, vật liệu mới, phương pháp xử lý và cấu hình thiết bị đã được phát triển, chẳng hạn như một bộ kẹp bao gồm ba lớp bằng cách sử dụng cái gọi là PneuNets, bẻ cong FEA được chế tạo bằng cách sử dụng kỹ thuật in thạch bản mềm Chiếc kẹp 6 ngón này có thể uốn cong cả lên và xuống và có thể gắp một quả trứng sống và một con chuột còn sống đã được gây mê

Ngoài việc sử dụng ngón tay uốn cong, các nhà nghiên cứu đã chứng minh FEA ở các cấu hình khác nhau Yang và cộng sự kết nối hai ngón tay thụ động với một bàng quang chứa các khoang bị xẹp do áp suất âm, tạo ra sự mở ra của ống kẹp [13] Al Abeach và cộng sự sử

19 dụng các cơ McKibben kéo dài và co lại theo cấu hình đối kháng, đạt được lực 10N ở 400 kPa Hay ngoài ra, một loại của bộ kẹp FEA là các xúc tu, có chiến lược cầm nắm bao gồm quấn quanh vật thể, giống như một cái vòi voi Walker và cộng sự đã trình bày việc xử lý một vật thể bằng một bộ điều khiển dài 120 cm, bao gồm 12 bộ truyền động McKibben Chân không có thể tạo ra sự kết dính thông qua áp suất âm được tạo ra tại mặt phân cách giữa bộ kẹp và vật thể [12] Các cốc hút được làm bằng vật liệu tuân thủ khai thác cơ chế này và được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp Trong bộ kẹp hút, chân không có thể đạt được một cách chủ động hoặc thụ động Hút chỉ hoạt động trên các bề mặt nhẵn, không có bọt vì cần phải thiết lập một vòng đệm tốt giữa cốc hút và vật thể Hình 2.13 cho thấy một xúc tu lấy cảm hứng từ bạch tuộc bao gồm một cơ cấu truyền động uốn cong khí nén được trang bị các giác hút có thể kiểm soát độ bám dính chân không một cách chủ động thông qua một máy nén bên ngoài Thiết bị kết hợp việc cầm nắm bằng cách hút vào chỗ gấp của xúc tu xung quanh vật thể; nó đạt được việc giữ một tạp chí cuộn, một ống kim loại, một quả bóng và một chai nước bằng nhựa

Hình 2.13: a Một cốc hút phù hợp có bán trên thị trường, b Sản phẩm cốc hút phù hợp với kích thước khác nhau, c Các cốc hút được tích hợp trong một xúc tu lấy cảm hứng từ bạch tuộc được làm bằng bộ truyền động chất đàn hồi chất lỏng (FEA)

Khi một điện trường được đặt vào các polyme hoạt tính điện (EAP), vật liệu sẽ biến dạng, cho phép chúng được sử dụng như thiết bị truyền động; chúng có khả năng chịu một lượng biến dạng đáng kể trong khi tác dụng lực đáng kể Chúng được sử dụng rộng rãi trong a b c

20 các cơ nhân tạo vì chúng được cho là gần giống với cơ sinh học Chúng có thể được tích hợp vào các cấu trúc mềm để tạo ra các thiết bị truyền động mềm Chất đàn hồi điện môi là một ví dụ của polyme hoạt tính điện Bằng cách đặt một điện áp lên chất đàn hồi, do sự phân cực của vật liệu, điều này gây ra biến dạng Chúng có thể được sử dụng cho các bộ truyền động có độ mềm cao có lợi thế về độ căng và tốc độ truyền động ấn tượng, mật độ thấp, tuân thủ cao và hoạt động im lặng Khi được dát mỏng, chất đàn hồi điện môi có thể được hình thành thành các cấu trúc trạng thái năng lượng tối thiểu phức tạp cho phép hoạt động ngoài mặt phẳng và thể hiện hành vi tự tổ chức [11] Bộ gắp mềm với bộ truyền động polymer tích hợp đã được phát triển sử dụng cả truyền động điện và truyền động tĩnh điện để nắm bắt các vật thể dễ vỡ, có thể biến dạng, có hình dạng bất kỳ bằng một tín hiệu điều khiển duy nhất

Hình 2.14: Bộ truyền động chất đàn hồi điện môi (DEA)

Ngoài chất đàn hồi điện môi, vật liệu tổng hợp kim loại – polyme ion cũng là một công nghệ polyme hoạt hóa điện được sử dụng phổ biến

Hình 2.15: Vật liệu tổng hợp kim loại-polyme ion

Công nghệ này bao gồm một màng polyme trương nở điện phân (độ dày thường là 100-

300 àm) kẹp giữa hai mảnh cỏc lớp kim loại Khi khụng cú điện ỏp đặt vào, cỏc anion và cation trong chất điện phân trong polyme được phân bố đồng đều Khi phân cực điện áp được đặt vào các điện cực, các cation di chuyển về phía cực âm và các anion về phía cực dương

21 Điều này dẫn đến sự trương nở vi sai, gây ra biến dạng uốn của toàn bộ kết cấu về phía dương

[9] Do đó, tùy thuộc vào cực được áp dụng, thiết bị có thể uốn cong theo cả hai hướng Độ cứng thay đổi từ 0,6 đến 21 Gpa tùy thuộc vào vật liệu được sử dụng cho màng polyme và các điện cực Công nghệ truyền động này cung cấp các hành trình uốn cong lớn với điện áp truyền động thấp (1–5 V) Việc sử dụng chất điện phân thường yêu cầu thiết bị truyền động phải chìm trong dung dịch nước, nhưng việc bao bọc cho phép hoạt động trong môi trường khô So với các chất đàn hồi điện môi, những phát triển gần đây trên bộ gắp dựa trên vật liệu tổng hợp kim loại – polyme ion khá hạn chế, có lẽ do các nhược điểm như phản ứng của bộ truyền động chậm và ứng suất tạo ra thấp

Hình 2.16: Cấu trúc năng lượng tối thiểu của chất đàn hồi điện môi và được phân đoạn

Phương pháp gia công

Với phương pháp đúc silicone, khuôn thường được in 3D, được sử dụng để đúc các cấu trúc dựa trên silicone hoặc các vật liệu siêu đàn hồi Khuôn sau khi đã được gia công bằng in 3D, tiến hành pha trộn dung dịch silicone theo đúng tỉ lệ, đổ vào khuôn và chờ dung dịch lắng đọng để tạo thành hình dáng vật cần đúc Trên thị trường có rất nhiều loại silicone với các độ cứng, tính chất vật liệu khác nhau Vật liệu silicone đều có chung ưu điểm là có độ đàn hồi tốt và vô cùng dẻo dai, tuy nhiên chịu ma sát lại khá kém

Ngoài phương pháp đúc để chế tạo và kiểm nghiệm tay gắp mềm, còn có thể chế tạo thử nghiệm bằng cách sử dụng công nghệ in 3D Hiện nay có rất nhiều công nghệ in 3D khác nhau như:

 Stereolithography (SLA) Đây là phương pháp sử dụng chùm laser gây đông nguyên liệu lỏng nhằm tạo thành lớp mới cho đến khi hoàn thành sản phẩm Có thể mô tả phương pháp trên như sau: Lắp một giá đỡ trong bể chứa rồi sử dụng tia laser tác động mặt trên cùng của nguyên liệu lỏng theo hình mặt cắt ngang của sản phẩm làm lớp nguyên liệu lỏng đông lại Giá đỡ đựng lớp nguyên liệu

22 đã đông sẽ hạ thấp để tạo một lớp mới còn các lớp kế tiếp sẽ được tiếp tục tiến hành sau khi sản phẩm hoàn tất Vật liệu: Nhựa lỏng Resin Ưu điểm của phương pháp 3D này chính là có khả năng tạo ra các sản phẩm có chất lượng cao và chuẩn đồng thời tiết kiệm được nguyên liệu so với những cách là thông thường vì nguyên liệu lỏng sau khi in xong có thể tiếp tục sử dụng để chế tạo trong lần tiếp theo Tuy nhiên cũng có khuyết điểm là giá thành cho trang thiết bị và nguyên liệu in 3D khá cao và sản phẩm in 3D sẽ giảm độ bền khi chiếu thẳng dưới ánh mặt trời

Hình 2.17: Sơ đồ nguyên lý công nghệ in SLA

Hình 2.18: Công nghệ in 3D DLP

Về bản chất của công nghệ này thì cũng tương tự như SLA, cũng dùng ánh sáng để chế tạo với chất liệu in là resin Sự khác biệt của công nghệ DLP là nguồn sáng lấy từ đèn hồ quang, có thể quét toàn bộ khay chứa vật liệu với 1 lần quét Sau quá trình tiếp xúc với ánh

23 sáng thì nhựa sẽ đông cứng thành những lớp rắn mảnh, ghép lớp với nhau rồi cuối cùng cho ra một vật rắn hoàn chỉnh DLP chỉ sử dụng 1 màn hình máy chiếu kỹ thuật số và các pixel trên màn hình máy chiếu với chức năng là 1 đầu phát ánh sáng chỉ có 2 cơ chế là đóng và mở, chính vì thế sẽ in được cả 1 vùng Về độ phân giải cũng có những khác biệt: công nghệ SLA chùm ánh sáng dạng hình tròn còn công nghệ DLP có chùm tia sáng đã được mã hoá theo Pixel tức là một chùm tia sáng nhỏ nhất là hình vuông Vậy thì căn bản chúng ta sẽ thấy biên dạng do 2 phương pháp trên in ra sẽ hoàn toàn khác biệt nhau và sẽ giành được lợi thế về riêng biệt Đối với thời gian in thì công nghệ DLP có thời gian in nhanh hơn hẳn so với SLA

Về hiệu suất hình ảnh thì SLA có sự linh hoạt hơn, độ phân giải cao hơn so với DLP và in ra sản phẩm có độ chính xác cao hơn

 Selective Laser Sintering (SLS) Đây là kỹ thuật dùng năng lượng ánh sáng laser nhằm nung chảy vật liệu theo các mặt riêng biệt (không hẳn nung nóng chảy lớp bột) và khiến cho vật liệu bám dính từng lớp Vật liệu: polyme nhiệt dẻo có dạng hạt Ưu điểm của phương pháp là có thể in trên những mô hình có thành mảnh hoặc những bộ phận nhiệt rắn hay mô hình lớn có lớp trống ở dưới và không phải bộ phận support; độ chính xác cao, có độ bền cơ học tốt Nhưng khuyết điểm là kinh phí dành cho trang thiết bị và vật liệu tương đối cao do tiêu tốn vật liệu khá nhiều

Hình 2.19: Công nghệ in 3D SLS

Selective laser melting thực chất cũng có nguyên lý làm việc giống với SLS nhưng cường độ laser với mức cao thì sẽ có khả năng phá vỡ những phân tử bột kim loại và gắn kết các hạt bột kim loại lại với nhau thành một kết cấu đồng nhất Ở nhiều góc độ khác nhau thì SLM cũng là một phần của kỹ thuật in SLS Phương pháp in 3D có thể áp dụng được với những bộ phận kim loại nhỏ và những kết cấu mỏng có lỗ rỗng được ẩn giấu ở giữa Nhiều nghiên cứu tiên phong áp dụng công nghệ SLM được thực hiện riêng biệt đối với từng bộ phận thuộc ngành hàng không nhằm chế tạo ra những bộ phận có khối lượng (nhẹ) khác nhau

Trên thị trường ngày nay, phương pháp in 3D được áp dụng nhiều nhất đó là Fused Deposition Modelling (FDM) FDM là quá trình sản xuất vật liệu theo công nghệ đùn nhựa sợi nóng chảy lỏng qua vòi phun bằng cách bồi đắp từng lớp in Vật liệu in là hạt nhựa polymer (PLA, ABS ) Ưu điểm là phương pháp in 3D giá thành thấp, kinh phí đầu tư trang thiết bị và vật liệu thấp nên hay dùng trong những ứng dụng phải chịu ngoại lực hoặc vật liệu có độ cứng cao Tốc độ tạo 3D nhanh Nhược điểm là chỉ được sử dụng để lắp ráp bởi độ chính xác không cao và lý do sai lệch từ mặt kính bằng nhựa, khả năng chịu lực không đồng nhất

Hình 2.20: Công nghệ in 3D FDM

Fused Deposition Modelling (FDM) là công nghệ tạo mẫu 3D giá thành thấp và dễ dàng sử dụng Đây cũng là công nghệ in 3D được sử dụng rộng rãi nhất vì dễ dàng sử dụng Công nghệ 3D khá dễ để sử dụng lại gần gũi với người sử dụng cho nên nhóm lựa chọn công nghệ in 3D để tạo sản phẩm

Vật liệu được sử dụng trong công nghệ in bao gồm sợi nhựa PLA và nhựa TPU

PLA – vật liệu in 3D thông dụng nhất ngày nay, là một dạng nhựa polymer và nhựa nhiệt rắn được sản xuất từ loại những vật liệu thiên nhiên và bột ngô Nó được biết đến nhiều nhất với việc ứng dụng trong ngành công nghiệp in 3D và được bán dưới dạng cuộn của vật liệu dạng tấm được gọi là sợi, nhưng nhựa PLA cũng được ứng dụng trong các lĩnh vực sản xuất công nghiệp cũng do tính năng độc đáo của nó Ưu điểm: dễ in, giá rẻ, nhiều màu sắc tùy chọn, có thể phân hủy sinh học và thân thiện với môi trường, không độc hại, không có khói Nhược điểm: phân hủy chậm

Là dòng chất liệu in 3D đa dụng bởi đặc tính bền bỉ, dẻo và dai, không gãy và có khả chịu đựng sự va chạm cao Chúng được sử dụng khá phổ biến đối với những nghành công nghiệp chế tạo bởi tính chất pha trộn của nhựa tổng hợp và cao su Đây là chọn lựa hoàn hảo đối với những ứng dụng đòi hỏi độ gắn kết chắc chắn và tính thẩm mỹ cao Chẳng hạn như

25 nhựa TPU được sử dụng để sản xuất những bộ phận lắp ráp có kết cấu mềm dẻo như bánh răng và dây thừng, hoặc những đồ vật gia dụng có thể chịu đựng sự uốn nắn

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO TAY GẮP MỀM VÀ MÔ PHỎNG PHÂN TÍCH CHUYỂN ĐỘNG

Yêu cầu kỹ thuật

- Tay gắp linh hoạt, có thể gắp được nhiều loại hình dạng khác nhau

- Kích thước hình học phù hợp, nên tối ưu hóa càng nhỏ càng tốt

- Có thể gắp vật với trọng lượng 500 gram và kích thước tối đa là 12x12x12(cm)

- Không có độ dãn dài hướng tâm và độ dãn dài dọc trục

- Biến dạng uốn lớn và tạo ra lực ở một áp suất nhất định

- Dễ dàng lắp đặt và chế tạo

Cụm tay gắp mềm được cấu thành từ 2 bộ phận chính: giá đỡ ngón tay và ngón tay mềm Trong cụm chi tiết giá đỡ ngón tay gồm có đầu nối cứng và đế kẹp ngón tay.

Thiết kế cụm tay gắp mềm

3.2.1 Thiết kế ngón tay mềm a Phương án thiết kế

Tay gắp mềm điều khiển bằng áp suất khí nén được chế tạo bằng vật liệu mềm, nó có thể co, duỗi, uốn cong khi có áp suất khí cấp vào Được ứng dụng trong khâu gắp và phân

27 loại các sản phẩm mềm, mỏng manh, dễ dập nát nên yêu cầu ngón tay mềm phải có thiết kế phù hợp để gắp vật Vậy nên, để áp dụng tốt được khả năng gắp của bộ truyền động mềm, thiết kế ngón tay cần đáp ứng được các yêu cầu sau: biến dạng uốn lớn; khả năng tạo lực ở một áp suất nhất định; kích thước hình học càng nhỏ càng tốt đặc biệt là đối với chiều cao; không giãn nở hướng tâm và giãn dài trục; chế tạo dễ dàng

Nhóm đã thiết kế ngón tay với 3 kiểu dáng có hình dạng mặt cắt khác nhau Để so sánh khả năng biến dạng, uốn cong của các kiểu thiết kế đó, sử dụng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn và ảnh hưởng của các tham số thiết kế hình học đến hiệu suất của nó được phân tích bằng cách mô phỏng trên phần mềm Ansys, từ đó có thể đánh giá và đưa ra lựa chọn phương án thiết kế cuối cùng

Kết quả mô phỏng phân tích được thể hiện dưới bảng 3.1 tại lần lượt hai mức áp suất 100kpa và 200kpa

Bảng 3.1: Kết quả so sánh độ biến dạng của 3 kiểu thiết kế ngón tay mềm khác nhau

Hình dạng Mặt cắt Kết quả biến dạng

Nhận xét: Kết quả cho thấy khả năng uốn cong của bộ truyền động 1 và 3 tốt hơn bộ truyền động 2 So sánh bộ truyền động 1 với bộ truyền động 3, bộ truyền động 1 có biến dạng hướng tâm cho mỗi buồng lớn hơn so với bộ truyền động 3, điều này sẽ ảnh hưởng đến lực đầu ra Bên cạnh đó bộ truyền động 3 tương đối phẳng hơn và dễ chế tạo hơn

Kết luận: Dựa trên phân tích trên, bộ truyền động 3 được chọn là cấu trúc tối ưu

Sau khi đã chọn được cấu trúc tối ưu nhất, nhóm tiến hành thiết kế và chế tạo

- Chịu được áp suất lớn

- Ngón tay mềm khi có áp suất khí vào thì chỉ cong theo dọc trục

- Không bị giãn dài dọc trục

- Lỗ khí được ghép kín với ống truyền khí để không bị rò rỉ khí ra bên ngoài

Nguyên lý làm việc: Khi đưa áp lực khí nén vào trong các buồng trống khí của ngón tay mềm, với tính chất đàn hồi, dẻo, dai và không đứt gãy có thể chịu đựng được sự va chạm cao của chất liệu TPU làm cho khoang rỗng căng nở dần khiến phần nắp ngoài của ngón tay mềm bẻ gập sang phía đối diện với những khoang rỗng giúp dễ dàng nắm chắc sản phẩm

Chức năng: giúp gắp vật không gây tổn thương vật lý nhờ đặc điểm mềm, dẻo của vật liệu chế tạo

Ngón tay mềm được thiết kế gồm 2 bộ phận chính: thân ngón có 13 khoang rỗng, mỗi khoang cách nhau 2mm; lớp đáy có chiều dày 2mm Tổng chiều dài ngón là 105mm

Hình 3.1: Hình vẽ 3D ngón tay mềm và hình cắt

Ngón tay mềm có các đặc tính sau:

- Khả năng áp dụng: phù hợp để gắp mọi loại sản phẩm dưới mọi điều kiện

- Độ an toàn: an toàn với con người và không gây hại cho sản phẩm gắp

- Sự thuận tiện: tháo lắp đơn giản c Mô phỏng phân tích chuyển động

Ngón tay mềm được làm bằng vật liệu mềm, các bài toán điều khiển cho nó không có công thức tính toán phi tuyến, vậy nên nhóm dùng phần mềm Ansys, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng, tính toán, tiến hành phân tích chuyển động của ngón tay Để kiểm tra khả năng uốn cong, độ biến dạng của ngón tay mềm, nhóm tiến hành mô phỏng, từ đó có thể đánh giá được với kiểu thiết kế tay gắp mềm như vậy liệu có phù hợp để gia công, chế tạo Phương pháp sử dụng để mô phỏng kiểm nghiệm là phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp được áp dụng phổ biến nhất trong xử lý những bài toán thuộc phạm trù kĩ thuật – toán học Trong những vấn đề kĩ thuật thì phương pháp phần tử hữu hạn chủ yếu được áp dụng trong bài toán nghiên cứu sự ứng suất và biến dạng của cấu trúc cơ học như những bộ phận xe ôtô – máy bay, tàu biển, kết cấu nhà cao tầng – dầm cầu đường, hay các vấn đề thuộc lý thuyết động lực học bao gồm: lý thuyết chuyển nhiệt độ, động lực học chất lỏng, thuỷ tĩnh và lực ma sát, điện – từ trường Phương pháp phần tử hữu hạn giúp chúng ta có thể hình dung trực quan độ cứng và độ bền cũng như tiết kiệm tối đa khối lượng vật liệu và giá thành sản phẩm Phương pháp phần tử hữu hạn cho phép chúng ta dễ dàng hình dung được độ cứng – độ bền cũng đồng thời giảm thiểu được lượng nguyên vật liệu – chi phí sản xuất Phương pháp phần tử hữu hạn cũng cho hình dung được vị trí các phần tử có thể cong hay uốn và đưa đến việc phân bổ ứng suất và biến dạng trong chi tiết Hiện nay trên thị trường có khá nhiều các phương pháp phần tử hữu hạn nổi tiếng bao gồm như Ansys, Abaqus, Nastran và Titus

Ansys là chương trình tính toán sử dụng những kỹ thuật số hoá và cho phép tính toán trên mô hình toán học thực Ansys có thể thiết kế những mô hình 2D và 3D với những kích thước thực tế và kiểu dáng đơn giản hoá Trong bài toán kế cấu (structural), Ansys tính toán các vận tốc, tải trọng, ứng suất và những phản lực Như vậy công dụng của Ansys là nhằm tính thử độ bền, ứng suất, đàn hồi và rung động, … Nhờ có năng lực đồ hoạ mạnh hỗ trợ nên bài toán mô hình kết cấu được giải quyết nhanh chóng và chuẩn xác, phần xử lí dữ liệu mạnh mẽ giúp xây dựng những biểu đồ để nhóm chọn mô phỏng sự biến dạng co duỗi của ngón tay mềm với ứng dụng Ansys

 Tạo các bộ phận ngón tay và gán vật liệu

Sau khi đã vẽ 3D ngón tay mềm hoàn thiện bằng phần mềm Inventor, đưa file với định dạng stp này vào phần mềm Ansys Trong phần mềm Ansys, gán vật liệu cho ngón tay là

“Hyperelastic Materials” với mô hình “Elastomer Sample (Yeoh)” như đã chọn ở chương 2 Chọn khối lượng riêng của vật liệu là 1000 kg/m3 và các hệ số trong mô hình lần lượt là C10

Hình 3.2: Gán thông số vật liệu

Sau khi đã lựa chọn vật liệu cho ngón tay mềm, thiết lập các thông số và đưa file 3D vào phần mềm Ansys thành công, tiến hành chọn các bề mặt bị áp suất khí đầu vào tác động

 Tạo bề mặt chịu lực

Trước khi thêm các tải trọng, càn phải xác định bề mặt mà tải trọng áp suất sẽ tác động lên Bề mặt này được tạo thành từ tất cả các mặt của khoang bên trong cơ cấu chấp hành và những bề mặt ở bên ngoài bị tác động khi ngón tay cong lại (phần màu đỏ)

Hình 3.3: Chọn các bề mặt bị áp suất tác động

Sau khi đã lựa chọn đầy đủ bề mặt bị tác động, gán trọng lượng tác động cho ngón tay mềm đồng thời chọn bề mặt cố định của một đầu ngón tay để khi có áp suất vào, ngón tay sẽ được giữ cố định một đầu

Tại bước chia lưới, lần lượt thiết lập các thông số như sau:

- Element order: Quadratic Để việc khảo sát chính xác hơn, nhóm chọn mô hình chia lưới tam giác với kích thước chia lưới là 0.08m Sau khi thiết lập hoàn thành, phần mềm cho ra kết quả chia lưới như hình:

 Thiết lập thời gian phân tích

Thời gian phân tích được thiết lập với các thông số như sau:

Chế tạo ngón tay mềm

a Chế tạo bằng phương pháp đúc silicone

Với kiểu chế tạo bằng đúc silicone, thiết kế 3D của khuôn đúc được thực hiện thông qua phần mềm Inventor, mô hình thiết kế được tham khảo từ các các công trình trong và ngoài nước để đưa ra thiết kế sơ bộ Thiết kế sơ bộ của khuôn đúc bao gồm 2 phần: phần thân chính và nắp

Các bước thiết kế bao gồm:

- Lắp ráp trong môi trường Assembly

Hình dạng khuôn đúc dựa vào hình dạng ngón tay mềm đã thiết kế Vì ngón tay mềm bao gồm 2 phần là thân chính và nắp nên khuôn đúc cũng sẽ có 2 phần: khuôn đúc thân chính (khuôn trên, khuôn dưới) và khuôn nắp Khuôn đúc được in 3D

Pha trộn silicone và đổ vào khuôn đúc

Thông số cơ bản của silicone được thể hiện ở Bảng 3.4:

Bảng 3.4: Thông số cơ bản của Silicone

Tính chất Đơn vị Giá trị

Tỉ lệ pha trộn - 1A : 1B Độ cứng Shore A 40

Thời gian tháo khuôn Giờ 6h – 8h

- Tháo khuôn và lắp ráp

- Phần thân chính và nắp được liên kết với nhau bằng 1 lớp silicone

Kiểm tra ngón tay mềm

Sau quá trình đúc silicone, ngón tay mềm được tiến hành kiểm tra độ uốn với áp suất khí đầu vào lần lượt là 50kpa, 100kpa và 150kpa Ở tại mỗi áp suất, ngón tay mềm cong tương ứng với kết quả mô phỏng Ansys, tuy nhiên, tại áp suất 150kpa, ngón tay mềm bị biến dạng xuyên tâm Tại mức áp suất này, ngón đã đạt cực đại mức chịu đựng áp suất, các khoang khí phồng lớn Nhóm tiến hành cho gắp thử ở mức áp suất này, tuy nhiên, lực gắp của ngón tay mềm khá yếu, không thể gắp và giữ vật lâu

Hình 3.14: Bọt khí trong ngón tay mềm đúc silicone

Từ đó, nhóm đưa ra kết luận:

Vật liệu chế tạo những ngón tay mềm là silicone được sản xuất chủ yếu bằng việc pha trộn của hai thành phần A – B cùng các thành phần khác Khi pha trộn, tỉ lệ chia theo trọng lượng của từng loại thành phần đầu vào sẽ có chút tỷ lệ chênh lệch do quá trình phân chia Các khuyết tật trong quá trình gia công bao gồm rỗ khí và khe hở nhỏ hay sự co ngót tác động không nhỏ lên cơ tính của vật liệu Trong quá trình pha trộn vật liệu để thực hiện chế tạo có thể cần tăng hoặc giảm tính cứng của vật liệu chế tạo nên có thể chỉ cần điều chỉnh tỉ lệ của những thành phần đầu vào Như vậy những thành phần vật liệu mà nhà sản xuất yêu cầu sẽ không còn dùng được Khi ấy, với tỷ lệ pha trộn thay đổi xem như một dạng vật liệu mới với cơ tính mới được sinh ra và do đó cơ tính cần kiểm tra trở lại Quy trình đúc được làm thủ công cho nên không hạn chế được những khuyết tật và các bong bóng khí vẫn tồn tại do quá trình pha trộn vật liệu nên khi bơm khí vào, ngón có xảy ra hiện tưởng nổ, bị tách lớp

Từ những lý do trên, nhóm chuyển qua phương pháp in 3D b Chế tạo bằng phương pháp in 3D Để chế tạo bằng phương pháp này, các bước tiến hành bao gồm: thiết kế mô hình 3D ngón tay mềm và mô phỏng độ uốn ở mục 3.2.1 Sau khi thiết kế và chạy xong mô phỏng, tiến hành gia công Ngón tay mềm được in 3D sử dụng vật liệu nhựa TPU

Hình 3.15: Gia công ngón tay mềm a Vẽ mô hình 3D b Mô phỏng độ uốn c Tiến hành gia công bằng in 3D d Sản phẩm ngón tay mềm thực tế a b c d

Sau khi đã in xong, tiến hành kiểm tra độ uốn: nhóm kiểm tra bằng cách lắp ghép cố định ngón tay vào đầu nối cứng, sau đó lần lượt cấp áp suất khí nén vào ở từng mức độ khác nhau Nhóm tăng dần áp suất sau mỗi lần thử mục đích để kiểm tra độ uốn, độ bền, dẻo của vật liệu xem có xảy ra hiện tưởng nổ hay tách lớp in hay không

Kết quả cho thấy, với việc sử dụng phương pháp in 3D, chất lượng ngón tay mềm tốt hơn so với đúc silicone Ngón có độ đàn hồi tốt, dẻo, dai; hạn chế được những khuyết tật trong quá trình gia công; uốn cong đều hơn; có thể gắp và giữ vật lâu; chịu được mức áp suất cao hơn; không bị tách lớp, nổ khí khi đưa cùng áp suất với ngón đúc silicone

XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN

Mục đích xây dựng hệ thống điều khiển

Sau khi thiết kế và chế tạo được cụm tay gắp mềm, tiến hành xây dựng bộ điều khiển Đồng thời, nhóm cũng thiết kế cơ cấu tay gắp đơn giản để thuận tiện cho việc kiểm nghiệm, đánh giá quá trình hoạt động gắp vật của tay gắp mềm, vậy nên bộ điều khiển cũng được xây dựng để điều khiển hoạt động của cơ cấu tay gắp

Hình 4.1: Hình vẽ 3D cơ cấu gắp 1 bậc tự do Ở chương 3, nhóm đã thiết kế và mô phỏng kiểm tra được độ uốn của 1 ngón tay mềm Tuy nhiên, để có thể thực hiện được quá trình gắp vật, cần xây dựng bộ điều khiển với các chức năng sau:

- Điều khiển chuyển động của cơ cấu tay gắp mềm gắp vật di chuyển lên xuống

- Điều khiển áp suất cấp vào cụm tay gắp để gắp, nhả vật theo ý muốn

Cơ cấu gắp được thiết kế 1 bậc tự do, chuyển động tịnh tiến theo trục z, sử dụng step motor để điều khiển chuyển động Cụm tay gắp mềm được gắn trên cơ cấu tịnh tiến bằng nhôm định hình Động cơ điều khiển chuyển động lên xuống, sử dụng công tắc hành trình để

44 gửi tín hiệu khi lên tới điểm cao nhất và xuống tới điểm thấp nhất của cơ cấu tịnh tiến Ban đầu cụm tay gắp mềm ở vị trí cao nhất, sau khi nhấn nút đi xuống, cụm gắp mềm di chuyển xuống tới vị trí gắp vật, lúc này hệ thống khí nén sẽ cấp khí vào ngón tay mềm để gắp vật Sau khi đã gắp và giữ vật xong, nhấn nút đi lên, cụm gắp mềm di chuyển lên trên vị trí cao nhất chạm công tắc hành trình, cụm gắp mềm lại di chuyển xuống vị trí đặt vật, hệ thống khí nén ngừng cấp, cụm gắp mềm thả vật

Hình 4.2: Cơ cấu tay gắp 1 bậc tự do thực tế

Sơ đồ điều khiển cơ cấu tay gắp

Lựa chọn linh kiện cơ cấu tay gắp: Sau thời gian thảo luận, nhóm đã thống nhất chế tạo cơ cấu tay gắp 1 bậc tự do chuyển động tịnh tiến lên xuống

 Được chuyển đổi từ chuyển động xoay của trục động cơ bước, tịnh tiến nhờ cơ cấu vít me – đai ốc

 Chuyển động tịnh tiến được dẫn hướng bởi 2 thanh tròn ∅8

 Driver điều khiển step motor TB6600 4.0A 42VDC có các thông số kỹ thuật:

- Dòng cấp tối đa là 4A

- Dòng cấp tối đa là 4A

 Sử dụng khớp nối mềm SRJ30C với các ưu điểm: độ cứng, độ chính xác cao; có quán tính thấp, đàn hồi tốt; có thể chịu được lực truyền mô-men xoắn lớn; kháng dầu, cách điện tốt

 Động cơ sử dụng là loại 57HS56 (1.2NM) có các thông số kĩ thuật:

Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật động cơ 57HS56

Cường độ dòng điện (A) 3 Điện trở của pha (Ω) 0.8

Cảm kháng của pha (M = Mh) 2.4

Trọng lượng motor (g) 680 Để đơn giản hóa quá trình tính toán, nhóm xem các lực tác dụng lên trục vít me chỉ bao gồm lực dọc trục 𝐹 𝑎 :

Tải lớn nhất tác dụng:

Tính toán sơ bộ đường kính trục vít me:

Vật liệu vít, đai ốc – thép đồng thanh: chọn áp suất cho phép [p]=6 MPa

Chọn ren hình răng cưa => hệ số Ψ ℎ = 0.75

Chọn đai ốc nguyên => hệ số Ψ 𝐻 = 1.8

Xác định đường kính vít

Chọn hệ số an toàn k = 5 Đường kính trục vít me phải lớn hơn 5 * 1.402 = 7.01mm

Ta chọn được trục vít me có đường kính = 8mm

Bắt đầu (i = 0) Động cơ đi xuống

Cấp khí nén (gắp vật) Động cơ đi lên vị trí ban đầu Động cơ đi xuống

Ngừng cấp khỉ (nhả vật) Động cơ quay về vị trí ban đầu i > N

Sơ đồ 4.1: Lưu đồ điều khiển cơ cấu gắp

Sau khi được cấp nguồn, nhấn nút đi xuống thông qua App điều khiển trên điện thoại, cụm gắp mềm di chuyển xuống tới vị trí đặt vật, nguồn khí nén được cấp vào và gắp vật Sau khi đã gắp và giữ vật, cụm gắp mềm di chuyển lên lại vị trí cũ sau đó đi xuống tới vị trí đặt vật và nhả khí, vật được đặt xuống bàn, cụm gắp mềm lại quay về vị trí cũ ban đầu thực hiện chu trình mới

Mạch điều khiển: Đúng Sai t = 1s

Hình 4.3: Mạch điều khiển tay gắp mềm

Sơ đồ hệ thống điều khiển cụm gắp mềm

Xây dựng hệ thống điều khiển cụm gắp mềm để điều khiển cấp áp suất đầu vào theo như mong muốn Hệ thống sử dụng van điều áp SMC ITV để cấp khí, thông qua tín hiệu điều khiển từ Arduino để điều khiển cụm gắp mềm gắp, nhả vật

Arduino được kết nối và viết chương trình điều khiển trực tiếp trên máy tính Tín hiệu xung từ Arduino được chuyển đổi sang tín hiệu điện áp 0 – 10V tương tự thông qua module LM358 để điều khiển van điều áp SMC ITV

Sơ đồ 4.2: Sơ đồ hệ thống điều khiển cụm gắp mềm

Các thành phần của hệ thống điều khiển:

 Arduino Uno R3 có các thông số kỹ thuật:

- Điện áp hoạt động: 5VDC

- Tần số hoạt động: 16 MHz

- Dòng tiêu thụ: khoảng 30mA

- Số chân Digital I/O: 14 (6 chân hardware PWM)

- Số chân Analog: 6 (độ phân giải 10bit)

- Dòng tối đa trên mỗi chân I/O: 30mA

 Module LM358: có chức năng chuyển đổi tín hiệu kỹ thuật số LC - LM58 - PWM2V thành tín hiệu tương tự 0 – 10V có các thông số kỹ thuật:

- Điện áp hoạt động: 12~30VDC

- Tần số xung PWM tương thích: 1KHz~3KHz

- Khoảng chuyển đổi: Độ rộng xung (duty) PWM đầu vào 0~100% tương ứng với điện áp đầu ra 0~10VDC

 Van điều áp SMC loại ITV2031 – 312L5 có các thông số kỹ thuật:

Van điều áp SMC ITV Nguồn 12V

Chuyển qua tín hiệu điện áp

- Input signal: Voltage 0 to 10VDC

Thiết lập giao diện điều khiển

Để điều khiển cơ cấu tay gắp mềm thêm đa dạng, nhóm thiết lập giao diện điều khiển trên smart phone

Sử dụng module wifi ESP8266 có thể sử dụng trực tiếp trình biên dịch của Arduino để lập trình và nạp code với các thông số kỹ thuật sau:

 Cấp nguồn: 5VDC (qua MicroUSB hoặc Vin)

 Chuẩn điện áp hoạt động: 3.3V

 Hỗ trợ cả 2 giao tiếp TCP và UDP

 GPIO tương thích hoàn toàn với firmware Node MCU

 Tương thích hoàn toàn với trình biên dịch: Arduino IDE

 Wake up and transmit packets in < 2ms

 Dòng tiêu thụ ở Standby Mode < 1.0mW (DTIM3)

Giao diện điều khiển gồm 1 ô textbox để nhập áp suất khí đầu vào, các nút nhấn lên xuống và nút stop

Hình 4.4: App điều khiển trên điện thoại

KIỂM NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ THỰC TẾ

Mục đích kiểm nghiệm

Ở chương 3, kết quả mô phỏng độ uốn của ngón tay mềm đã đáp ứng được yêu cầu về mặt kỹ thuật mà nhóm đề ra Tuy nhiên, để kiểm định lại kết quả thực tế có phù hợp, tương thích với kết quả mô phỏng hay không, cần phải thiết lập thí nghiệm để đánh giá, từ đó so sánh với mô phỏng và đưa ra kết luận

Yêu cầu đề ra là phải kiểm tra được góc uốn của ngón tay mềm tại từng mức áp suất khác nhau, từ đó tính được áp suất cần cung cấp là bao nhiêu và thời gian đạt được góc uốn trong bao lâu Để có thể đáp ứng được các tiêu chí trên, nhóm tiến hành thiết lập thí nghiệm

Bố trí thí nghiệm như sau:

 Ngón tay mềm được lắp cố định trên giá đỡ, chiều hướng dọc theo trục z Đặt phía sau ngón tay là tấm background gồm các ô ca-ro sọc trắng đen kích thước mỗi ô 15x15mm

 Camera được đặt cố định với ống len được đặt song song với mặt phẳng chứa ngón tay mềm và cách 30cm, tiêu cự của camera là 8.5mm

Sau khi đã hoàn thành xong các bước bố trí thí nghiệm, tiến hành thu video để xử lý Nhóm sử dụng phương pháp xử lý ảnh để kiểm tra độ uốn, độ biến dạng của ngón tại từng vị trí tương ứng với từng mức áp suất đầu vào.

Xử lý ảnh độ uốn ngón tay mềm

Xử lý ảnh là quá trình biến đổi một hình ảnh ở dạng kỹ thuật số và sử dụng một vài công cụ nhất định để nhận được một số thông tin cần thiết từ hình ảnh đó Hệ thống xử lý hình ảnh thông thường coi hầu hết dữ liệu hình ảnh là tín hiệu 2D khi thực hiện một vài thao tác xử lý tín hiệu đã biết trước Trong chương này có thể sử dụng xử lý ảnh để đo góc uốn thực tế của ngón tay mềm để so với mô phỏng, nhờ đó có thể tính được góc uốn chính xác để gắp vật thể Quy trình thực hiện:

Sơ đồ 5.1: Quy trình thực hiện xử lý ảnh tìm góc uốn

Nguyên lý hoạt động: Ngón tay mềm được cấp khí nén ở từng mức áp suất khác nhau Camera đã được thiết lập vị trí cố định thu video quay lại từ lúc ngón chưa được cấp khí nén cho tới khi ngón cong lại tại mức áp suất đó Video thu được được tiến hành xử lý để tìm ra

Thiết lập vị trí camera

Quay video Phân tích, xử lý video

51 các vị trí mà ngón uốn cong, từ đó tìm được phương trình đường cong của ngón tay mềm nhờ phương pháp nội suy Lagrange và góc uốn tương ứng với mức áp suất cấp đầu vào

5.2.1 Thiết lập vị trí camera

Các thông số cần quan tâm:

- Field of View – FOV (Khu vực quan sát)

- Working Distance – WD (Khoảng cách làm việc)

- Focal Length – FL (Tiêu cự camera)

- Sensor Size – SS (Cảm biến bên trong camera)

Hình 5.1: Thiết lập vị trí camera Để thu được đầy đủ hình ảnh/video thực của vật trên camera, ta sẽ đặt máy ảnh sao cho ống len song song với mặt phẳng của FOV

Do FL và SS là cố định được lấy từ camera, vậy nên cần tìm được vị trí đặt camera và khu vực quan sát thỏa mãn công thức:

𝑆𝑆 Để thu được video ngón tay mềm hoạt động phục vụ cho việc xử lý tìm độ cong của ngón tay trong thực tế, nhóm sử dụng các linh kiện, thiết bị như sau:

 Camera dòng Basler scout - scA640-70gc với các thông số kỹ thuật:

- Kích thước cảm biến: 4.9mm x 3.7mm

- Độ phân giải (HxV): 658px x 492px

- Kớch thước điểm ảnh (H x V): 7.4 àm x 7.4 àm

- Tốc độ khung hình: 70 fps

 Tấm background gồm các ô sọc trắng đen xen kẽ với kích thước 15x15mm

Kết quả thiết lập vị trí camera như hình dưới đây:

Hình 5.2: Kết quả thiết lập vị trí camera

Camera nhóm lựa chọn sửa dụng là Basler scout - scA640-70gc có định dạng cảm biến: 1/3 '' tương ứng sensor size là 4.8mm Tiêu cự ống len camera là 8.5mm Diện tích kiểm tra mà camera cần quan sát là 170mm Từ đó suy ra khoảng cách làm việc là 300mm

Sau khi đã cố định xong vị trí đặt camera, tiến hành quay video khảo sát độ uốn của một ngón tay mềm ở nhiều mức áp suất khác nhau Nhóm sử dụng phần mềm NI Labview để quay video thu thập dữ liệu

Hình 5.3: Sơ đồ khối để thu video bằng phần mềm NI Labview

Hình 5.4: Giao diện quay video

Hình 5.5: Kết quả quay video ngón tay mềm tại các áp suất khác nhau

5.2.3 Phân tích, xử lý video a Tạo ảnh đen trắng từ ảnh gốc

Sơ đồ 5.2: Quy trình chuyển ảnh RGB sang HSV

Hình ảnh kỹ thuật số được chụp từ camera của 1 máy ảnh bất kỳ có kích thước xác định Mỗi pixel trên ảnh kỹ thuật số được tạo ra từ sự kết hợp giữa 3 màu cơ bản là: đỏ, lục, lam Trong quá trình thao tác với ảnh RGB thông thường (24 bit), ta sẽ chia ảnh làm 3 kênh: Đỏ, Lục, Lam, trong đó, mỗi kênh sử dụng 8 bit (0 – 255) để hiển thị cường độ sáng cho mỗi màu Tuy nhiên, để dễ dàng lọc hình ảnh của vật trong hình ảnh thu được từ máy ảnh, ta phải chuyển đổi ảnh RGB sang ảnh HSV

Chúng ta sử dụng mô hình màu HSV (Hue – Saturation – Value) để chuyển đổi không gian màu từ BGR sang HSV Sau đó, áp dụng ngưỡng màu cam (do ngón tay mềm có màu cam) để tạo mặt nạ chỉ chứa màu cam trên khung hình Tiếp theo, tìm các contour lớn trên mặt nạ để xác định vị trí màu cam trên khung hình

Giá trị (Hue – Saturation – Value) mà nhóm sử dụng:

Bảng 5.1: Giá trị Hue – Saturation – Value sử dụng tách nền màu cam

Giới hạn dưới Giới hạn trên

Value 50 255 Ảnh RGB từ camera Ảnh HSV

Tùy chỉnh các khoảng Hue, Saturation, Value của ảnh HSV Ảnh đen trắng của vật

Tại đây ta thu được một mảng có kích thước A [540][960] (540 dòng và 960 cột) với các giá trị 255 đại diện cho màu cam, 0 đại điện cho màu đen

Hình 5.6: Kết quả thu được sau khi tách ảnh đen trắng b Xác định tọa độ các điểm uốn và phương trình đường cong

Hình ảnh được đưa vào xử lý có kích thước 960x540 pixel và với trục X có 8 ô ca-ro có kích thước ô ca-ro thực tế là 15x15mm

=> 𝑍 = 67,5 Suy ra được công thức chuyển đổi từ pixel sang mm:

Từ đó, nhóm đã tính toán và chuyển qua đơn vị mm và chọn được 6 điểm trên trục y như sau:

Bảng 5.2: Quy đổi giá trị y từ pixel sang mm

Từ những điểm Y đã được chọn, nhóm đã sử dụng một số hàm để hỗ trợ trong việc tìm điểm X:

 Tách mảng A tại các điểm Y đã chọn thành từng mảng riêng biệt để dễ xử lý

 Sử dụng hàm B = np.where(y1 == 255) để tìm tất cả các phần tử có giá trị 255 trong mảng y1, kết quả sẽ cho ra mảng B có chứa các vị trí có giá trị 255 của mảng y1

 Sau đó sử dụng tiếp hàm X = np.min(B) để tìm giá trị nhỏ nhất trong mảng B (tức là tìm vị trí đầu tiên của giá trị 255 trong mảng y1) giá trị này sẽ là giá trị X chúng ta cần tìm

Làm tương tự với các điểm y2, y3, y4, y5, y6

Hình 5.7: Đường cong nội suy Lagrange

Bảng 5.3: Giá trị 6 điểm uốn xác định

Từ kết quả trên ta có thể áp dụng nội suy Lagrange để tìm ra phương trình đường cong ở mức áp suất này là:

Kết quả kiểm nghiệm độ uốn thực tế và so sánh với mô phỏng

Để kiểm tra kết quả góc uốn thực tế so với mô phỏng, nhóm đã tiến hành quay và xử lý video ở nhiều mức độ áp suất khác nhau với nhiều lần thử nghiệm, sau đó đưa ra kết quả trung bình cuối cùng để so sánh

Hình 5.8: Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa góc uốn – áp suất thực tế

Dưới đây là bảng so sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm:

Bảng 5.4: So sánh độ uốn thực tế và mô phỏng Áp suất

(kpa) Mô phỏng Thực Tế

B endi ng A ng le ( D eg ree )

Hình 5.9: Biểu đồ so sánh góc uốn thực tế và mô phỏng

BIỂU ĐỒ SO SÁNH GÓC UỐN THỰC TẾ VÀ MÔ PHỎNG

B endi ng A ng le ( D eg ree )

Nhận xét: Từ kết quả mô phỏng ở chương 3 và kết quả thực nghiệm ở chương này, thấy rằng độ uốn cong ở môi trường mô phỏng so với độ uốn cong thực tế có chút chênh lệch Nhìn vào biểu đồ hình 5.8 thấy rằng có một mối quan hệ xấp xỉ tuyến tính giữa áp suất và góc uốn

Kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm có một chút sự sai lệch về góc uốn, nguyên nhân có thể do:

Sai số của thiết bị, hệ thống: các sai số này không thể điều chỉnh được như sai số của đồng hồ đo áp suất

Khi gá đặt, ngàm kẹp giữ vật không thể lý tưởng như môi trường trong mô phỏng, do vậy dễ gây ra sai số

Kích thước thực tế sau khi chế tạo của ngón tay mềm có thể sai lệch ít nhiều so với thiết kế gốc do quá trình gia công

Sai số do quá trình mô phỏng: kích thước, loại phần tử chưa phù hợp; điều kiện biên khi mô phỏng cần phải xem xét

Hình 5.10: Biểu đồ thể hiện góc uốn thực tế theo thời gian

Nhận xét: Dựa vào biểu đồ hình 5.10 có thể thấy thời gian đáp ứng từ 0 – 0.5s, góc uốn thay đổi nhanh từ 0 – 22⁰, liên hệ tới biểu đồ góc uốn hình 5.8 thì với khoảng thời gian đáp ứng này đạt được góc uốn tương ứng là 0 – 150kpa Sau 1s, góc uốn tăng chậm do các khoang khí bên trong đã chứa một áp suất nhất định, làm cho sự căng phồng giữa các buồng khí chậm hơn.

BIỂU ĐỒ THỂ HIỆN GÓC UỐN THỰC TẾ THEO THỜI GIAN

B endi ng A ng le ( D eg ree )

Kiểm nghiệm gắp vật thực tế

Sau khi đã khảo sát xong độ uốn cong của một ngón tay mềm và có kết quả so sánh tương đồng với mô phỏng, nhóm tiếp tục thử nghiệm gắp vật bằng 4 ngón Để tiến hành thử nghiệm, quy trình thực hiện như sau:

Sơ đồ 5.3: Quy trình thử nghiệm gắp vật

 Xử lý biên dạng vật gắp

Sản phẩm nhóm lựa chọn để gắp là quả ớt chuông

Sử dụng mô hình màu HSV (Hue – Saturation – Value) để chuyển đổi không gian màu từ BGR sang HSV Sau đó, áp dụng ngưỡng màu vàng (do vật gắp có màu vàng) để tạo mặt nạ chỉ chứa màu vàng trên khung hình Tiếp theo, tìm các contour lớn trên mặt nạ để xác định vị trí màu vàng trên khung hình

Giá trị (Hue-Saturation-Value) mà nhóm sử dụng:

Bảng 5.5: Giá trị Hue – Saturation – Value sử dụng tách nền màu vàng

Giới hạn dưới Giới hạn trên

Hình 5.11: Kết quả tách nền biên dạng vật cắt

Xử lý biên dạng vật gắp

Tính góc uốn mỗi ngón

Xác định mức áp suất cần cấp

Sau khi đã tách màu, xác định được vật thể, tiến hành tìm biên dạng, các tọa độ x min, y min, x max, y max

Sơ đồ giải thuật tìm x min:

Sơ đồ 5.4: Sơ đồ giải thuật tìm các điểm max - min trên biên dạng vật gắp

Hình ảnh đã được xử lí

Lấy dòng Y từ mảng A và tạo mảng

Tìm vị trí có giá trị 255

Thu được mảng C gồm các vị trí có giá trị 255

Tìm giá trị min trong mảng C

Xuất X_min sang giá trị mm

Hình 5.12: Hình ảnh quả ớt chuông sau khi được xử lý biên dạng

Bảng 5.6: Giá trị các điểm xác định biên dạng quả ớt chuông

 Tính góc uốn mỗi ngón

- Ngón tay mềm được lắp đặt theo phương thẳng đứng, khoảng cách lắp đặt giữa 4 ngón tay được điều chỉnh sao cho chu vi 4 ngón tạo thành có thể ôm hết biên dạng vật gắp, sau khi đã lắp đặt xong thì khoảng cách giữa các ngón được cố định

- Khoảng cách từ mép trong của ngón tay mềm tới các điểm x max, x min là h (h thay đổi)

- Góc uốn α là giá trị cần tìm, phụ thuộc vào khoảng cách h

𝑐ℎ𝑖ề𝑢 𝑑à𝑖 𝑛𝑔ó𝑛 𝑡𝑎𝑦) (1) Áp dụng vào trường hợp cụ thể trên:

Quả ớt chuông có kích thước biên dạng được tìm như bảng 5.5

Khoảng cách giữa mỗi ngón tới quả ớt chuông tối đa là 3cm

Với biên dạng tìm được ở trên, dựa vào công thức (1) nhóm tính toán và tìm ra được góc uốn cần thiết để ngón gắp tới vật là α ≈ 20⁰

 Xác định mức áp suất cần cung cấp

Sau khi đã có công thức tổng quát mối liên hệ giữa góc uốn α và khoảng cách h, dựa vào biểu đồ hình 5.8 và 5.10 sẽ xác định được góc uốn tương ứng và thời gian đáp ứng

Với trường hợp cụ thể trên, sau khi đã tìm được góc uốn cần thiết để ngón tay gắp vật là 20⁰, dựa vào biểu đồ hình 5.8 và 5.10 để so sánh, thấy rằng khoảng áp suất tương ứng là

150 kpa với thời gian cung cấp để đạt đến áp suất này là trong khoảng 0.8 – 1s

Dưới đây là hình ảnh thử nghiệm cụm tay gắp mềm gắp vật tại áp suất 150kpa:

Hình 5.13: Thử nghiệm gắp vật tại áp suất 150kpa

Nhận xét: tại mức áp suất 150kpa, ngón tay mềm có thể gắp và giữ vật chắc chắn, vật không bị rơi khi di chuyển lên xuống theo trục z Lực gắp không làm vật bị bóp méo, bị nát hay bị các tác hại vật lý bên ngoài

Nghiên cứu trình bày một cách tổng quát quá trình thiết kế, chế tạo tay gắp mềm; mô phỏng độ uốn ngón tay mềm; tính toán lựa chọn linh kiện; xây dựng bộ điều khiển và xử lý ảnh góc uốn của ngón tay gắp mềm khi được cấp áp suất khí để so sánh với kết quả mô phỏng Thông qua kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm, mô hình Yeoh được xem là phù hợp để mô phỏng ứng xử biến dạng ngón tay mềm Sử dụng công nghệ in 3D và vật liệu nhựa TPU để chế tạo, gia công mang lại kết quả khá khả quan

Sau quá trình nghiên cứu, nhóm đã đạt được những kết quả:

- Thiết kế và chế tạo được mô hình tay gắp mềm

- Mô phỏng và đánh giá khả năng chịu áp suất, độ biến dạng của ngón tay mềm thông qua phần mềm Ansys

- Xây dựng bộ điều khiển cụm tay gắp mềm

- So sánh, đánh giá kết quả góc uốn, độ biến dạng và khả năng gắp giữ vật thông qua mô phỏng và thực nghiệm Đây là một đề tài có tính ứng dụng cao trong ngành công nghiệp robot nói chung và ứng dụng trong gắp và phân loại trái cây nông sản nói riêng Những kết quả thu được từ mô hình thực tế đã đánh giá quá trình tìm tòi, nghiên cứu của cả nhóm Tuy nhiên, nghiên cứu vẫn còn nhiều thiếu sót và cần cải thiện hơn ở một số vấn đề để tiếp tục nghiên cứu phát triển Qua đồ án này, chúng em học thêm được nhiều kiến thức mới về các thiết bị điện tử, khí nén và được áp dụng kiến thức lý thuyết đã học vào thực tế để thực hành

Kết quả thực hiện của nhóm còn nhiều thiếu sót cần được cải thiện để sản phẩm được hoàn thiện, chỉnh chu hơn Với tính ứng dụng cao trong ngành công nghiệp gắp và phân loại sản phẩm, cụ thể là trái cây nông sản, nhóm có một số ý kiến đề xuất phát triển như sau: nghiên cứu vật liệu mềm mới có thể uốn cong ở mức áp suất khí thấp nhưng lực gắp lớn; tích hợp các cảm biến vào ngón tay mềm đề khảo sát, đưa ra dữ liệu tính toán chính xác hơn Sau đồ án này, nhóm hy vọng các thế hệ sinh viên tiếp theo có thể cùng nghiên cứu tiếp đề tài này, cải thiện những thiếu sót mà nhóm còn gặp phải để qua đó, sản phẩm sớm được đưa vào ứng dụng thực tiễn