Thiết kế, chế tạo và thực nghiệm hệ thống phản hồi lực 3d sử dụng lưu chất mr

Bộ CÔNGTHƯƠNGBÁO CÁO TỔNG KẾT ĐÈ TÀI KHOA HỌCKẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN cứu KHOA HỌC CẮP TRƯỜNGTên đề tài: Thiết Kế, Chế Tạo Và Thực Nghiệm Hệ Thống Phản Hồi Lực 3D Sử Dụng Lưu Chất

TỔNG QUAN

Đặc điểm chung củaMRF

Chất từ biến (Magneto Rheological Fluid - MRF) là một dạng lưu chất thay đổi các tính chất lưu biến như độ nhớt, ứng suất chảy dưới tác dụng của từ trường, là một trong số các loại vật liệu thông minh (Smart Materials) thông dụng trong kỹ thuật Lưu chất này có khả năng chuyển từ trạng thái lỏng sang dạng trạng thái sệt (Semisolid) khi có từ trường đi qua lưu chat MRF đã được Jacob Rabinow nghiên cứu tại Cục tiêu chuẩn quốc gia Hoa Kỳ vào cuối những năm 1940s [1] MRF bao gồm chất lỏng nền, các hạt từ tính phân cực và chất phụ gia Các hạt từ tính phân cực có vai trò cơ bản trong các hiệu ứng của từ trường bên ngoài đưa vào Chất phụ gia được dùng để giảm bớt sự lắng đọng của các hạt từ tính, vì sự lắng đọng của hạt từ tính ảnh hưởng khá lớn đến khả năng lưu biến của MRF Đặc điểm từ tính của MRF bao gồm ứng suất chảy dẻo, độ nhớt sau chảy dẻo và độ lắng đọng [2, 3] Tính lưu biến này phụ thuộc vào các

Báocáo đềtài khoa học IUH tham số biến đổi khác nhau như tỷ trọng hạt từ tính, loại hạt từ tính, mật độ các hạt từ tính, cường độ từ trường, nhiệt độ, tính chất của chất lỏng nền và loại chất phụ gia [4] Tính lưu biến của MRF như độ nhớt, tính đàn hồi hay tính dẻo của MRF phụ thuộc vào từ trường đi qua lưu chất Khi từ trường đi qua lưu chất thì các đặc tính của MRF được biểu diễn qua mô hình Bingham [5].

MRF gồm ba thành phần chính đó là: hạt từ tính (1), chất lỏng nền (2), chất phụ gia, được thể hiện bởi Hỉnh 1.1

Hình 1.1: Thành phần chính MRF.

Các hạt từ tính của MRF hiện nay được sử dụng như sắt, hợp kim sắt, oxit sắt, nitrat sắt, cacbua sắt, sắt carbonyl, niken và coban [6, 7] Trong đó hạt phản ứng từ thường được sử dụng để chế tạo MRỈ' là sắt carbonyl, ứng suất cực đại của MRF đạt được khi cường độ từ trường áp dụng vào MRT làm cho bão hòa từ của các hạt từ tính được xác lập Kích thước hạt từ tính trong MRF thường nằm trong khoảng 0,1-10 pm.

Chất lỏng nền được sử dụng trong MRF có thể là dầu silicon, dầu khoáng, dầu paraíin, dầu thủy lực, chất lỏng hữu cơ như halogen, diesters, polyoxyalkylen, silic fluoride, nước và dầu hydrocarbon tổng họp [7].

Chất phụ gia thêm vào nhằm làm giảm sự lắng đọng của các hạt từ tính trong MRF

[8] Hiện tượng lắng đọng có thể gây ra hiện tượng suy giảm độ nhớt của MRF [9] Khi sự lắng đọng của MRỈ' tăng lên thì dưới tác động của ứng suất cao và tốc độ cắt cao trong một thời gian dài làm cho chất lỏng sẽ đặc lại [10]

Tổng quan tình hình nghiên cứu và tính cấp thiết tiến hành nghiên cứu

1.2.2 Nguyên lý hoạt động MRF

Khi MRF ở trạng thái bình thường (khi từ trường không đi qua MRF), các hạt từ tính chuyển động tự do, MRF ứng xử như lưu chất Newton (Hình 1.2 a) Khi MRF ở trạng thái có tác dụng của từ trường bên ngoài vào thì các hạt từ tính sẽ gắn kết và sắp xếp lại với nhau theo hình dạng phân bố của đường sức từ Các hạt từ này có khả năng chống lại sự phá vỡ liên kết, làm cho lưu chất sệt lại Khi cường độ từ trường ở mức thấp thì sự phân bố các hạt từ tính chưa rõ ràng (Hình 1.2 b), còn kill cường độ từ trường cao thì sự phân bố các hạt từ tính sẽ đinh hình rõ ràng hơn (Hình 1.2 c) Khả năng hên kết của các hạt từ tính phụ thuộc rất lớn vào cường độ từ trường bên ngoài tác dụng vào MRF.

Hình 1.2: Các trạng thái MRF.

1.3 Tổng quan tình hình nghiên cúu và tính cấp thiết tiến hành nghiên cúu 1.3.1 Tình hình nghiên cứu quốc tế

Trong những năm hiện nay việc sử dụng bộ điều khiển từ xa trong môi trường nguy hiểm, bao gồm cả robot phiêu lưu, đã chứng kiến sự phổ biến ngày càng tăng trong các ngành công nghiệp hiện đại [11] Tuy nhiên, một thách thức đáng kể trong các hệ thống điều khiển từ xa là thiếu phản hồi lực và mô-men xoắn, làm ảnh hưởng đến độ chính xác và tính hull hoạt của việc điều khiển của người vận hành [12], Để khắc phục hạn chế này, việc tích hợp phản hồi lực, được gọi là hệ thống xúc giác từ xa, đã đạt được kết quả đảng kể trong nghiên cứu [ 13] Vì vậy, một hệ thống điều khiển từ xa có phản hồi lực tới người vận hành (hệ thống xúc giác từ xa) là rất quan trọng Chất lưu biến từ (MRF) đã được biết như một vật liệu đầy triển vọng cho nhiều ứng dụng

Báo cáo đề tài khoa học ỈUH khác nhau nhờ các đặc tính lưu biến độc đáo của nó dưới tác dụng của từ trường bên ngoài [14, 15, 16], Các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào các hệ thống xúc giác sử dụng bộ truyền động từ tính (MR) Ví dụ, Yamaguchi và cộng sự đã đề xuất một hệ thong xúc giác đa bậc tụ do (DOF) với phanh MR tương đối lớn, nhưng hệ thống này phải chịu khối lượng lớn và lực ngoài trạng thái hạn chế [17], Winter và Bouzit đã phát triển găng tay phản hồi lực sử dụng phanh MR tuyến tính, nhưng họ gặp phải những thách thức như lực lệch trạng thái cao và kích thước phanh lớn [18], Bullion và Gurocak đã thiết kế một chiếc găng tay xúc giác 3-DOF với phanh MR xoay, cung cấp lực phản hồi cho các ngón tay cụ thể, nhưng vẫn thiếu các thử nghiệm xác nhận [19],

Berk Gonenc [20] đã phát triển hệ phản hồi hỗn họp bao gồm phanh MRF dạng tang trống kết họp với động cơ DC servo thể hiện bởi Hình 1.3 Hệ thong này mô phỏng lại việc cắt mô cho các loại kéo phẫu thuật nhưng chỉ có một bậc tự do nên chưa thế áp dụng cho các thao tác phức tạp của việc phẫu thuật từ xa Thiết kế này sau khi tối ưu hình học có mô men của phanh đạt 1,5 Nm còn cả hệ tối đa là 1,77 Nm.

Hình 1.3 Mô hình thử nghiệm của Berk Gonenc [20],

Doruk Senkal và cộng sự [21] đã nghiên cứu chế tạo cơ cấu khóp quay phản hồi lực đa hướng dùng phanh MRF dạng cầu biểu diễn bởi Hình 1.4 Đường kính quả cầu phanh là D = 76,2 mm mô men tạo ra lên đến 3,7 Nm Tuy nhiên, hệ này không thể điều khiển mô men riêng rẽ theo mỗi phương, kết cấu phức tạp và lực tác động không

Báo cáo đề tài khoa học ỈUH phản hồi lên tay người điều khiên.

Hệ thống vị tri quang học Cám biến lực

Hình 1.4 Cơ cấu phản hồi lực dùng phanh MRF cầu [21],

Li w H cùng các cộng sự [22] đã đưa ra cơ cấu phản hồi lực joystick 2D với hai phanh quay sử dụng MRF thể hiện bởi Hình 1.5 Các phanh này có thông số cơ bản là D = 156 mm, L = 21 mm, mô men tạo ra từ 0,7 Nm đến 6 Nm Các phanh được sử dụng vẫn là các phanh truyền thống (các cuộn dây quấn ở vỏ ngoài) và việc tối ưu hoá hình học chưa được xem xét nên kết cấu phanh còn khá lớn Trong nghiên cứu này, tác giả đã sử dụng các MRB để tạo mô men phản hồi, người điều khiển chỉ cảm nhận được lực tác động khi thực hiện chuyển động cần điều khiến do vậy khi cần điều khiển không chuyển động lực tác động không phản hồi lên tay người điều khiển.

Hình 1.5 Mô hình phản hồi lực joystick 2D [22],

Báo cáo đề tài khoa học IUH

Nguyen p B và các cộng sự [23] đã thiết kế và chế tạo cơ cấu joystick 2D biểu diễn bởi Hình 1.6 có phản hồi lực, sử dụng cơ cấu quay hai chiều dùng MRF Đối với hệ này thì mô men ma sát có thể được khử và hệ thống có thể phản ánh được mô men rất nhỏ lên tay người điều khiển do đó người điều khiển có thể cảm nhận được lực tác động ngay cả kin cần điều khiển không chuyển động Tuy nhiên vẫn như các nghiên cứu trước kia, kiểu quấn dây truyền thống (cuộn dây bố trí ở mặt trụ của vỏ) dẫn tới hiện tượng thắt nút cổ chai và việc tối ưu hoá hình học chưa được xem xét nên kết cấu hai chiều còn khá lớn, mô men phản hồi không cao (1,2 Nm).

Hình 1.6 Mô hình phản hồi lực 2D của Nguyen p B [23].

Oh J s và các cộng sự [24] đã thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển có phản hồi lực 4 DOF ứng dụng vào hệ thống phẫu thuật biểu diễn bởi Hình 1.7 về bản chất, nghiên cứu này là sự phát triển tiếp theo của nghiên cứu do Nguyen p B [23] và các cộng sự thực hiện Oh J s và các cộng sự đã sử dụng lại cơ cấu joystick 2D được đề xuất bởi Nguyen p B [23] để phản ánh mô men lắc trong mặt phẳng đứng (pitch) và mô men quay (roll) của rô bốt phẩu thuật, bên cạnh đó bố trí thêm hai ly hợp dùng MRF(MRC) để phản ánh mô men lắc trong mặt phẳng ngang (yaw) và lực tiếp cận dọc theo hướng mũi của dụng cụ phẫu thuật Tuy nhiên, vẫn như các nghiên cứu trước đây, mô men của phanh dừng trong nghiên cứu này không cao nhỏ hơn 2 Nm Hơn nữa việc gắn một khối lượng lớn lên cần điều khiển cũng gây sai lệch rất lớn lực phản hồi đến tay người điều khiển do ảnh hưởng của trọng lực và lực quán tính.

Báo cáo đề tàikhoa học IUH

Hình 1.7 Hệ thống phản hồi lực 4 DOF [24].

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Hiện nay, các nghiên cứu liên quan đến hệ thống phản hồi lực trong nước còn ít quan tâm, như nghiên cứu liên quan hệ tay máy Master và Slave sao chép chuyền động điều khiển từ xa (Tele-Manipulator) của tác giả Từ Diệp Công Thành [6], Nghiên cứu này tập trung vào thuật toán điều khiển hệ thống, áp dụng bộ điều khiển PID kết hợp với mạng thần kinh nhân tạo Chức năng điều khiển chỉ thực hiện sao chép chuyển động Các thiết bị nghiên cứu của đề tài chỉ là mô hình thí nghiệm nhỏ, không đề cập đến việc ứng dụng trong môi trường thực tế Ngoài ra, đề tài chỉ giới hạn việc sao chép vị trí mà không đề cập đến việc phản hồi thông tin về lực từ cơ cấu chấp hành của tay máy slave lên người điều khiển.

Nguyễn Ngọc Điệp và cộng sự [25] đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình tay máy sao chép chuyển động và phản hồi lực ” biểu diễn bởi Hình 1.8 Nghiên cứu [25] là một tay máy công nghiệp 3 bậc tự do dạng elbow (khớp nối), tay máy Master được thiết kế là sao chép lại kích thước chuỗi động của tay máy bị động Bằng việc sử dụng bộ điều khiển PID, hệ thống sao chép chuyển động từ tay máy Master qua tay máy Slave rất tốt, tuy nhiên khả năng phản hồi lực từ lúc đầu làm việc của tay máy Slave lên người điều khiến tay máy Master chưa tốt do lực ma sát lớn và do bài toán ngược để xác định mô men tại các khớp của tay máy không có lời giải

Báo cáođề tài khoa học IUH tường minh.

Hình 1.8 Mô hình tay máy 3 bậc tự do [25]

Diệp Bảo Trí [26] và các cộng sự đã phát triển một hệ thống phản hồi lực 3D sử dụng hai cơ cấu hai chiều BMRA và một cơ cấu tuyến tính LMRB thông qua cơ cấu gimbal (Hình 1.9) Hệ thống này có ưu điếm là khử được mô men ban đầu của hai phương X, Y, có xét tới bài toán tối ưu hóa khối lượng của cơ cấu chấp hành, khả năng phản hồi lực tốt nhưng vẫn còn nhược điểm lực trạng thái tắt còn lớn theo phương z nên cũng ảnh hưởng trong quá trình phản hồi lực chung của hệ thống

Cảm biến góc Cảm biếngóc BMRA-X Hệbánh phươngY phươngX răng côn

Hình 1.9 Mô hình phản hồi lực 3D [26]

Báo cáo đề tài khoa học IUH

Diệp Bảo Trí [27] và các cộng sự đã phát triển một tay máy phản hồi lực 3D sử dụng hai phanh MRB biên dạng phức tạp và một cơ cấu tuyến tính LMRB thông qua các khớp nối tạo thành cánh tay robot 3D (Hình 1.10) Hệ thống này có ưu điểm là tạo mô men lớn do biên dạng của MRB dạng răng nên đáp ứng tốt, có xét tới bài toán tối ưu hóa khối lượng của cơ cấu chấp hành, khả năng phản hồi lực tốt nhưng vẫn còn nhược điểm lực trạng thái tắt còn lớn theo phương z nên cũng ảnh hưởng trong quá trình phản hồi lực chung của hệ thống

MRB-01 Hình 1.10 Mô hình tay máy 3 bậc tự do [27]

1.4 Tính cấp thiết của đề tài

Trong các nghiên cứu trước đây chủ yếu là joystick 2 bậc tự do dùng phanh MR hoặc 3 bậc tự do dùng 2 phanh quay (MRB) và 1 phanh tịnh tiến (LMRB) Nhược điểm của việc dùng phanh tinh tiến là lực ma sát không tác dụng (off-force) còn lớn do ma sát ban đầu lớn dẫn tới việc điều khiển hệ thống khồng linh hoạt Do vậy việc dùng 3 phanh quay là rất cần thiết để nhằm giảm lực ma sát đồng thời tăng khả năng phản hồi lực tốt hơn. về tính khoa học nhóm nghiên cứu tiến hành xây dựng mô hình toán học quan hệ giữa mô men đầu ra của các MRB tại 3 trục quay của cơ cấu và lực phản hồi tại núm điều khiển của cơ cấu Mở ra hướng phát triển mới trong việc phát triển cơ cấu phản hồi lực.

Báo cáo đề tài khoa học ỈUH

• Hệ thống có khả năng phản hồi chính xác lực 3D lên tay người điều khiển

• Giảm thiểu tối đa ảnh hưởng của lực ma sát lên tay người điều khiển

• Đánh giá khả năng đáp ứng của hệ thống phản hồi lực.

• Phát triển phanh MRB với khối lượng nhỏ nhất đáp theo yêu cầu của hệ thống phản hồi lực thông dụng

• Phát triển hệ thống phản hồi lực 3D dựa vào sự kết hợp của các MRB

• Phát triển mô hình toán và bộ điều khiển cho hệ thống phản hồi.

1.6.1 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

• Phân tích và mô phỏng, kế thừa

• Tổng hợp, phản biện và thực nghiệm

1.6.2 Cơ sở khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

• Đe tài này sử dụng các kiến thức về vật liệu thông minh MRF, phương pháp tối hóa và kỹ thuật điều khiển hiện đại.

• Đe tài này làm cơ sở cho việc thiết kế và chế tạo hệ thống phản hồi lực ứng dụng trong các lĩnh vực kỹ thuật như điều khiển từ xa và trong phẫu thuật y khoa.

1.7 Kết quả đạt được của đề tài

• Một mô hình hệ thống phản hồi lực sử dụng MRF

• Một bài báo Scopus Q2 (theo yêu cầu chỉ Q3)

• Một bài báo tạp chí của Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM

• Bảo vệ thành công một đề tài Thạc sĩ (đề tài không yêu cầu)

• Đe tài đại học đã bảo vệ (đề tài không yêu cầu)

Mục tiêu nghiên cứu

• Hệ thống có khả năng phản hồi chính xác lực 3D lên tay người điều khiển

• Giảm thiểu tối đa ảnh hưởng của lực ma sát lên tay người điều khiển

• Đánh giá khả năng đáp ứng của hệ thống phản hồi lực.

• Phát triển phanh MRB với khối lượng nhỏ nhất đáp theo yêu cầu của hệ thống phản hồi lực thông dụng

• Phát triển hệ thống phản hồi lực 3D dựa vào sự kết hợp của các MRB

• Phát triển mô hình toán và bộ điều khiển cho hệ thống phản hồi.

Phạm vi nghiên cứu

1.6.1 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

• Phân tích và mô phỏng, kế thừa

• Tổng hợp, phản biện và thực nghiệm

1.6.2 Cơ sở khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

• Đe tài này sử dụng các kiến thức về vật liệu thông minh MRF, phương pháp tối hóa và kỹ thuật điều khiển hiện đại.

• Đe tài này làm cơ sở cho việc thiết kế và chế tạo hệ thống phản hồi lực ứng dụng trong các lĩnh vực kỹ thuật như điều khiển từ xa và trong phẫu thuật y khoa.

Kết quả đạt được của đề tài

• Một mô hình hệ thống phản hồi lực sử dụng MRF

• Một bài báo Scopus Q2 (theo yêu cầu chỉ Q3)

• Một bài báo tạp chí của Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM

• Bảo vệ thành công một đề tài Thạc sĩ (đề tài không yêu cầu)

• Đe tài đại học đã bảo vệ (đề tài không yêu cầu)

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THÓNG.PHẢN HỒI Lực 3D 12 2 ỉ Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thong

Cấu tạo hệ thống phản hồi

Một hệ thống phản hồi xúc giác 3D được đề xuất thể hiện ở Hình 2.1 Hệ thống bao gồm một cần điều khiển xúc giác 3D được kết hợp với một cơ chế gimbal và 3 phanh từ lưu biến (MRB) để cho phép phản hồi lực của các chuyển động quay Cơ chế gimbal bao gồm ba trục (thông qua 3 khung của cơ cấu) được kết nối với các MRB lần lượt là MRB01, MRB02 và MRB03 Mỗi trục đầu ra của MRB được liên két với các trục của cơ cấu gimbal, để đảm bảo khi gimbal quay thì các trục của MRB cũng quay tương ứng Bộ mã hóa góc được đặt ở phía đối diện của mỗi trục MRB nhằm xác định góc quay của cần điều khiển Ưu điểm của cơ ché gimbal là điều khiển đồng thời cả ba trục, thiết kế nhỏ gọn hơn so với các nghiên cứu trước đó và điều chỉnh góc quay độc lập Các góc quay theo trục X và Y được trình bày ở Hình 2.2 và Hình 2.3 và có phạm vi hoạt động tương ứng là ±65° và ±57°, trong khi góc quay theo trục z có phạm vi là 360° Mô men xoắn đầu ra của các MRB được xác định bằng cảm biến lực 3D nằm giữa tay cầm và núm điều khiển Bằng cách tính toán cánh tay đòn dựa trên các góc của bộ mã hóa góc và vị trí núm thì hệ thống có thể thu được các lực phản hồi Fx, Fy và Tz theo ba hướng vuông góc tại núm Các lực này được tạo ra thông qua mô men xoắn do MRB tương ứng tạo ra Đe duy trì sự cân bằng trong quá trình quay của trục Y thì nhóm nghiên cứu có bố trí một đối trọng ở vị trí đối xứng với MRB01 nhằm cân bằng khi hệ thống hoạt động theo trục Y Việc tích hợp cơ chế gimbal và MRB góp phần vào hệ thống xúc giác 3D bằng cách cho phép điều khiển xoay chính xác và độc lập dọc theo từng trục, thiết kế nhỏ gọn và thu được lực phản hồi để nâng cao tương tác người dùng

Hình 2.1 Cấu hình của cần điều khiến 3D phản hồi lục

Hình 2.2 Cần điều khiển quanh trục X Hình 2.3 Cần điều khiển quanh trục Y

2.1.2 Cấu hình và nguyên lý làm vỉệc phanh MRF

Cấu hình của phanh MRB đuợc đề xuất là dạng phanh luu biến từ rôto hình răng đuợc sử dụng cho cần điều khiển xúc giác 3D trong nghiên cứu này đuợc trình bày trong Hình 2.4 cấu tạo của MRB bao gồm đĩa phanh với vật liệu từ tính (thép C45) đuợc liên kết với mặt bích của trục phanh với vật liệu không có tù tính (Inox 304), trục này đuợc cố định trên hai 0 lăn chặn ở hai đầu trục và các 0 lăn này đuợc cố định trên

Báo cáo đề tài khoa học IUH hai thân vỏ (vật liệu C45) trong và ngoài của MRB Giữa thân vỏ và đĩa phanh được bố trí một khe hở thích hợp nhàm lấp đầy chất lưu biến từ Để tạo ra từ trường đi qua khe lưu chất thì nhóm nghiên cứu bố trí hai cuộn dây từ tính (vật liệu là đồng) ở mỗi bên của thân vỏ phanh Điều đáng chú ý là mỗi cuộn dây được cấp hai dòng điện chạy ngược chiều nhau Các thông số hình học cơ bản của phanh cũng được trình bày ở Hình 2.4 Các thông số này sẽ là các biến thiết kế trong quá trình tính toán tối ưu hóa của phanh nhằm mục tiêu giảm tối đa khối lượng phanh và đạt mô men đầu ra theo yêu cầu mà một hệ thống xúc giác trong thực tế.

Thân vỏ ưong Thân vỏ ngoài

Hình 2.4 Cấu hình và thông số hình học của phanh MRF.

2.2 Phân tích từ’ MRB với phương pháp PTHH

Việc mô phỏng đường từ thông của MR là một công việc rất khó khăn và phức tạp Nên để phân tích mạch từ của MRB tác giả đề xuất phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được áp dụng bằng phần mềm phân tích thương mại đó ANSYS APDL Hình 2.5 mô tả việc triển khai FEM, sử dụng phần tử đối xứng trục với phần tử PLANE 13 có sẵn trong phần mềm ANSYS APDL để xây dựng mạch từ cho MRB Trong phân tích này, các thành phần của MRB như trục phanh và cuộn dây được gán độ từ thẩm là 1,0 tương đương với độ thẩm của không khí Mặt khác, các thành phần từ tính củaMRB bao gồm thân vỏ và đĩa phanh sử dụng đường cong B-H của thép C45 cho đặc tính từ tính của chúng Lưu chất MRF-132DG do Lord Corporation sản xuất được sử

Báocáo đề tài khoa học IUH dụng cho nghiên cứu này thể hiện ở Bảng 2.1.

Bảng 2 í Thông số kỹ thuật của MRF

Loại MRF MRF-122EG MRF-132DG MRF-140CG Độ nhớt (Pa.s), (40 °C) 0,042 ± 0,020 0,112 ±0,02 0,280 ± 0,070

Nhiệt độ hoạt động (°C) -40 đến + 150

Cường độ từ trường (kA/m) 150 -250 ứng suất dẻo (kPa) 50- 100

Thời gian đáp ứng Vài ms

Các đặc tính từ của lưu chất MR được ước tính bằng công thức thực nghiệm được sử dụng bởi nghiên cứu [28]:

- B là mật độ từ thông được đo bang Tesla (T)

- H là cường độ từ thông (A/m)

- po là độ từ thấm chân không được ký hiệu là p0 = 4ĩĩ 107 (Tm/A)

- ộ là phần trăm của hạt sắt có trong MRF

Hình 2.6 đưa ra hình dạng đường từ thông được mô phỏng trong phanh lưu biến từ khi áp dụng phần mềm AN SYS APDL Be mặt đĩa phanh và thân vỏ phanh được thiết kế dạng răng mục đích tăng diện tích bề tiếp xúc mặt giữa chất lưu MR, đĩa và thân vỏ phanh Với cấu hình này dự kiến sẽ tăng mô men xoắn cảm ứng và giảm bớt hiệu ứng thắt cổ chai thường thấy trong các phanh MR trước kia.

2.3 Mô hình toán của MRB và động học của cần điều khiển

2.3.1 Tính toán mô men xoắn của MRB

Trong phần này, mô hình dẻo Bingham và phưong pháp phần tử hữu hạn (FEM) được dùng để thiết kế và mô phỏng tính toán cho MRB của cần điều khiển xúc giác 3D đã đề xuất FEM cho phép phân tích chi tiết mạch từ và hoạt động của lưu chất MR dưới các cường độ từ trường khác nhau Mô hình dẻo Bingham được sử dụng để xác định các đặc tính lưu biến của lưu chat MR, thế hiện bởi cả đặc tính nhớt và dẻo.

Các giả định được đưa ra trong quá trình mô phỏng, chẳng hạn như giả sử lưu chất

MR không thể nén được, bỏ qua ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ và giả sử vận tốc của lưu chất MR là tuyến tính khe MRF Những giả định này được đưa ra để đơn giản hóa quá trình thiết lập mô hình trong khi vẫn đạt được hoạt động cơ bản của phanh

MR Bằng cách sử dụng mô hình dẻo Bingham cho lưu chất MR, thì việc ước tính mô men xoắn đầu ra của MRB, như được mô tả trong Hình 12, được áp dụng theo phương trình sau [29, 30]: rồ =2 s X T f +T, +T C (2-2)

- TEk là mô men ma sát gây ra bởi MRF trong ống thẳng đứng Ek

- Tij là mô men ma sát gây ra bởi MRF trong ống nghiêng Ij

- Tc là mô men ma sát gây ra bởi MRF trong ống mặt trụ của đĩa

- Ts là mô men ma sát của phớt chặn MRF Điều quan trọng cần lưu ý là mô men ma sát của ổ lăn có trong cơ cấu được bỏ qua trong nghiên cứu này.

Các mô men ma sát Teỉì, Tij, Tc và Ts được xác định theo các phương trình sau [30]

Tỉj = 2?r\R 2 ld +Rjỉd2 sin a +~^d sin 2 a I Tjj

2t g ĩĩTỊỉj (4R 7 3 + 6R 2 Id sin a+AR,Id2 sin2 a + ỉd 3 sin3 ; J = 1,3,5,7,9

(2-6)Các thông số được biểu diễn ở các phương trình trên bao gồm Rk và Rj biểu thị bán kính vị trí của điểm thứ k (rảnh lưu chất thẳng đứng) và thứ j (rảnh lưu chất MR

Báo cáo đề tài khoa học ỈUH nghiêng) trong biên dạng đĩa của phanh MR được đưa ra trong Hình 12 Thông số ỉd và a lần lượt là chiều dài và góc của ống nghiêng của lưu chất MR Rs biểu thị bán kính của trục phanh (tính bang inch)

TEk, Tĩj, Tc lần lượt là ứng suất chảy dẻo của MRF trong ống thẳng đứng Ek, ống nghiêng I h mặt trụ của đĩa phanh ĩỊEk, ĩỊc là độ nhớt sau chảy dẻo tưong ứng của MRF

0) là tốc độ góc của trục phanh.

Trong nghiên cứu này, ứng suất chảy dẻo và độ nhớt sau chảy dẻo là hai đặc tính lưu biến của chất từ lưu biến, nó phụ thuộc vào mật độ từ thông cảm ứng trên ống MRF Các giá trị gần đúng cho các đặt tính này được biểu thị bằng các phưong trình sau [30]:

- To và ì]0 là ứng suất chảy dẻo và độ nhớt sau chảy dẻo của MRF khi không có từ tác dụng

- Tsat và TỊsat là ứng suất chảy dẻo và độ nhớt sau chảy dẻo của MRF khi bảo hòa từ xảy ra

Mật độ từ thông được biểu thị bằng B và các chỉ số mô men bão hòa cho ứng suất chảy và độ nhớt lần lượt được ký hiệu là K r và Kĩị.

2.3.2 Động học và quan quan hệ giữa mô men Tb và lực phản hoi F

Trong nghiên cứu này, Hình 2.7 trình bày so đồ động học của cần điều khiển xúc giác 3D Chiều dài của tay cầm dọc theo trục z được đặt là chiều dài l Các góc quay của tay cầm đối vói các trục X, Y và z lần lượt được biểu thị bằng (p, ỡ, ụ/ Dựa trên các nguyên tắc đã nói ỏ trên ta có Bảng 2.2 Denavit-Hartenberg (D-H) cho cần điều khiển xúc giác 3D được áp dụng

Báocáo đề tài khoa học ỈUH z ▲

Hình 2.7 Sơ đồ động học của cần điều khiển

Bảng 2.2 D-H của cần điều khiển

Ma trận chuyển vị của cần điều khiển xúc giác 3D được xác định dựa trên bảng D-

Báo cáo đề tài khoa học ỈUH ữ F = \Tx\Tx 2F

S(psụf +c(pcỡciịf C(psỡ cỵjs(p~c(pc9sỵj 0" cOciịfs(p-c(psiịf scpsỡ —ctpcụ/ -cỡscpsụí 0

0 sớ, sa, cỡ, sa, cat

Phân tích từ MRB với phương pháp PTHH

Việc mô phỏng đường từ thông của MR là một công việc rất khó khăn và phức tạp Nên để phân tích mạch từ của MRB tác giả đề xuất phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được áp dụng bằng phần mềm phân tích thương mại đó ANSYS APDL Hình 2.5 mô tả việc triển khai FEM, sử dụng phần tử đối xứng trục với phần tử PLANE 13 có sẵn trong phần mềm ANSYS APDL để xây dựng mạch từ cho MRB Trong phân tích này, các thành phần của MRB như trục phanh và cuộn dây được gán độ từ thẩm là 1,0 tương đương với độ thẩm của không khí Mặt khác, các thành phần từ tính củaMRB bao gồm thân vỏ và đĩa phanh sử dụng đường cong B-H của thép C45 cho đặc tính từ tính của chúng Lưu chất MRF-132DG do Lord Corporation sản xuất được sử