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

Bộ CÔNGTHƯƠNG

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐÈ TÀI KHOA HỌC

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN cứu KHOA HỌC CẮP TRƯỜNG

Tên đề tài: Thiết Kế, Chế Tạo Và Thực Nghiệm Hệ Thống Phản Hồi Lực 3D Sử Dụng Lưu Chất MR

Mã số đề tài: 22/1CK03

Chủ nhiệm đề tài: TS Diệp Bảo Trí

Đơn vịthực hiện: Khoa Côngnghệ Cơ khí

Báo cáo đề tài khoa họcIUH

CẢM ƠN

Trongthờigian hơn mộtnăm nhóm nghiên cứuđã thựchiện đề tài “Thiết kế,

chế tạo vàthựcnghiêm hệ thống phảnhồilực 3D sử dụnglưu chấtMR”đã được triển khai tại TrườngĐại họcCông nghiệp Tp.HCM Trong thời ban đầu khối lượng công việc rấtnhiềunhưng nhómcốgắng bám sátcáckhối lượng củađề tài

nhằm đưa racác phương án đểhoàn thànhtất cả các nội dungcủađềtài Trongquá

trình thực hiện nhóm cũnggặp nhiều khókhăn nhưng với sợ hỗ trợ kịp thời của Ban Giám Hiệu, Khoa Côngnghệ Cơ Khí và một sốgiảngviên trongKhoađãtạođiều

kiện hết sức thuậnlợi cho nhóm nghiêncứu thựchiện tốt các hạng mụccủađề tài Vì vậy tôi thaymặt tấtcả thành viên của nhóm đề tàixin chân thành cảm ơn sự hỗ

trợ của Nhàtrườngvà các đồngnghiệpđểchúng tôi hoàn đề tài nghiêncứu của mình.

Báo cáo đề tài khoa họcIUH

I.Thông tin tong quát

1.1.Tên đề tài: Thiết Kế, Chế Tạo Và Thực Nghiệm Hệ ThốngPhảnHồi

1TS DiệpBảoTríKhoa Cơ KhíChủnhiệm đềtài

2GS.TS Nguyễn Quốc HưngKhoa CơKhíThamgia

1.4 Đonvịchủ trì: Khoa Công nghệ Cơ khí, Trường Đại Học CôngNghiệp Tp.HCM

1.5 Thờigian thực hiện:

1.5.1 Theo hợp đồng:từtháng 08 năm 2022 đến tháng 08nám 2023.

1.5.2 Gia hạn (nếu có): đến tháng02 năm 2024.

1.5.3 Thực hiệnthực tế: từ tháng 08năm 2023 đến tháng02 năm 2024.

1.6 Nhữngthay đỗi so với thuyết minhbanđầu (nếu có):

(về mụctiêu, nội dung, phương pháp, kết quả nghiên cứuvàtẻ chức

thực hiện; Nguyênnhân; Y kiến của Cơquanquản lý)

1.7 Tổng kinh phíđượcphêduyệtcủađề tài: 65 triệu đồng.

II.Kết quả nghiên cứu1 Đặt vấn đề

Trong nghiên cứu này nhằm mục đích pháttriểnvà đánh giáhệ thống xúc giác

3Dmới sửdụng cơ chế gimbalvà ba phanh xoay lưubiếntừ (MRB) Việcnghiên

cứubắt đầubằngcáchxem xét các nghiên cứu cóliênquan để đề xuất một cấu hình

cho cần điều khiểnxúc giác 3D cóphản hồilực, sử dụng bộ truyền động bởi MRF.

Báo cáo đề tài khoa họcIUH

Cơcấugimbal tích hợp với ba phanh xoay MR để cung cấp phảnhồi lực cho chuyền động quay theo các trục X,Y và z Việc thiết kế và mô phỏng các MRB được thựchiệnbằng phương pháp phần tửhữuhạn và ápdụng môhình Bingham, tập trung vào việc giảm thiểu khốilượng và chi phísản xuất.Đe giải quyếtvấn đề tối ưu hóa mục tiêuliên quanđen MRB,phương pháp tốiưu hóa bầy đànđược áp

dụng (Particle SwarmOptimization) Sau đó, mộtnguyên mẫu thực tếcủacần điều

khiển xúc giác 3D đượcchế tạo và việc đánh giá đượctiến hành để đánh giá lực

phản hồi Nghiên cứu này cũng mở đường chocác nghiêncứu trong tươnglai về phản hồi lực trongđiềukhiển từxa,đặc biệt làtrongbối cảnh hệ thống Master-

• Phát triển phanhMRB với khốilượngnhỏnhất đáptheo yêucầu

của hệ thốngphảnhồi lực thông dụng

• Phát triển hệ thống phản hồi lực 3Ddựavào sự kếthợp củacác

• Phát triển môhình toán và đánhgiá khả năng phản hồi lựccủahệ thống

3 Phươngpháp nghiên cứu

• Thu thập thôngtin, kếthừavà phân tích.

• Thực nghiệm.

4.Tổngkết về kết quả nghiên cứu

• Báo cáo tổngkếtđề tài khoa học.

• Một mô hìnhhệ thống phảnhồi lực 3D.

Báo cáo đề tài khoa họcIUH

• Một bài báoScopus (Q2) yêu cầu Q3

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

• Bảo vệ thành côngmộtđề tàiThạc sĩ (đề tàikhông yêu cầu)

5.Đánh giá các kết quả đã đạt đượcvà kết luận

Qua kếtquả đạt được củađề tài nhóm tác giả đưa ra mộtsố kết luận như sau:

•Lĩnh vực nghiêncứucó tínhứng dụngcaovà đã được cácnhà khoa

học rất quan tâm.

•Đâylà sựkết hợp giữa truyềnđộng cơ khí truyềnthốngvới ứng dụng

vật liệu thông minh (MRF) nhằm tạora một một hệ thống phản hồi

lực 3D cótính ứngdụng cao.

ố.Tóm tắt kết quả (tiếng Việt vàtiếng Anh)

Nghiên cứu này trình bày một cơ chế cần điềukhiển 3D phảnhồi lực chủđộng mớiđượcthiếtkếđể điềukhiểncác thiếtbị thụ động.Bằng cách giải quyết các hạn

chế được tìm thấy trongnghiêncứutrước đây, cấu hình đề xuất nhằm khắc phục

những thiếu sót này và manglại hiệu suất nâng cao Việckếthợp MRBcho phép tạo ralực phản hồivàthiết kếMRB độc đáo được phát triển bằng cách sử dụng phântíchphần tử hữu hạn vàđượctối ưu hóa thôngquaphươngphápbầyđàn (PSO)và ban đầu đật đượcmột số kết quảsau:

•Một mô hình điều khiển 3D phảnhồi được chế tạo

• Xây dựng mô hình toáncho hệthốngphản hồi 3D

• Thiết lập mô hình thực nghiệmchohệ thống phản hồi để đánh giá khả năngđáp ứng của hệ thống

• Kết quả thực nghiệm đáp ứng tốt khảnăng phản hồi lực của hệ và đủkhả năng ápdụng cho hệ Master-Salve trong tươnglai.

Summary of results

This study presents a novelactiveforce-feedback3Djoystick mechanism designedfor controlling passive devices By addressing limitationsfound in

previousresearch,theproposedconfigurationaimsto overcome these

shortcomingsand provide enhancedperformance.Theincorporationof MRBs enablesthe generation of feedback forces, and a unique MRB designis

Báo cáo đề tài khoa họcIUH

developedusing finite element analysisandoptimized through the PSOmethod and initially achievedsome of the following results:

• Anovel3D feedback haptic controlmodel has been built • Builda mathematicalmodel for a 3Dfeedbacksystem

• Setup anexperimental model forthe feedbacksystem to evaluate the

system's ability to respond

• The experimentalresults are sufficient to meet the force feedback of

the system and beapplicableto theMaster-Salvesystem in the future

III Sản phẩmđề tài,công bố vàkết quả đào tạo 3.1 Kếtquảnghiên cứu sản phẩm dạng 1,2,3)

TT Tên sảnphẩmYêu cầu khoahọc hoặc/vàchỉ tiêukinh

tế - kỹ thuật

Ghi chú:Các ấn phẩm khoa học (bài báo,báo cáo KH, sách chuyên khảo )

chỉ được chấpnhận nếu có ghi nhậnđịachỉvà cảm ơn trường ĐHCông Nghiệp Tp HCMđãcấp kinh phí thực hiện nghiên cứu theo đúng quy định.

- Các ấnphẩm (bản photo) đính kèm trongphần phụ lục minh chứng ở

cuối báocáo (đối với ấnphẩm làsách, giáo trình cầncó bản photo trang

bìa, trangchínhvà trangcuối kèm thông tin quyếtđịnh và sốhiệu xuất bản)

Báo cáo đề tài khoa họcIUH

TTHọ và tênThời gian

thựchiện đề

Tên đề tài

Tên chuyên đề nếulà NCS Tên

luận vănnếulàCao học

Đã bảovệ

1 Nghiên cứu sinh 2 Học viêncao học

VũVănBộPhát TriểnHệ ThốngPhản Hồi Lực

3DDùngPhanhChất LưuBiến Từ

3 Sinhviên Đại học

Ghi chú:Kèm bản photo trang bìachuyên đề nghiên cứu sinh/ luận ván/khóa

luận vàbằng/giấychứngnhậnnghiêncứu sinh/thạc sỹ nếu học viên đã bảo vệthành công luận án/luậnvăn;(thể hiện tạiphần cuối trong báocáo khoa học)

1Thuê khoán chuyên môn42,099,95042,099,950

2Nguyên,nhiên vật liệu 21,000,00021,000,000

Báo cáo đề tài khoa họcIUH

Trong suốt quá trình nghiên cứu,đề tài cũng gặp một sốkhó khăn và

hạn chếnhất định Vì vậy, một số vấn đề tồntại trongđề tài sẽđượcphát triểntrong thời gian sắp tới:

• Nghiên cứu khắc phục lực ban đầu của MRBcòn caoảnh

hưởng đến khả năng đápứng của hệ phản hồi

•Áp dụng mộtsố phươngpháptối ưu vàthuật toán điều khiểnhiện

VI. Phụ lụcsản phẩm (liệt kê minh chứngcác sản phẩm nêuở Phầnỉỉỉ)

•Bao TriDiep, HaiZy Zy Le, Van Bo Vu, Quoc Hung Nguyen, “Development And Evaluation Of A Novel 3D Haptic Joystick With

Force FeedbackUsing Three Magneto-Rheological Brakes”Journal of Applied ScienceandEngineering, Vol 27, No 8,Page 2957-2968 • Diệp Bảo Trí, Vũ Văn Bộ, NguyễnQuốcHưng,Thiết Ke Và Tính

ToánTối Ưu Hệ ThốngPhản HồiLực 3 Chiều DùngPhanh Chất

Lưu Từ Biến, Tạp chỉ Khoa học và Công nghệ IUH

Tp.HCM, ngày tháng năm

Chủ nhiệm đề tài PhòngQLKH&HTQT Trưởng (đon vị)

Báo cáo đề tài khoa họcIUH

PHẢN II BÁOCÁOCHI TIẾT ĐẺ TÀI NGHIÊN cứu KHOA HỌC

Báo cáo đề tài khoa họcIUH

1.3Tổngquan tình hình nghiên cứu vàtính cấp thiết tiến hành nghiên cứu 3

1.3.1 Tìnhhình nghiên cứuquốc tế 3

1.3.2Tìnhhình nghiên cứutrong nước 7

1.4 Tỉnhcấp thiếtcủađề tài 9

1.5 Mục tiêunghiêncứu 10

1.5.1 Mục tiêutổng quát 10

1.5.2Mục tiêucụ thể 10

1.6Phạm vi nghiên cứu: 10

1.6.1 Cách tiếp cậnvà phương pháp nghiên cứu 10

1.6.2Cơsở khoa học và ý nghĩa thựctiễn của đềtài 10

Báo cáo đề tài khoa họcIUH

1.7Kết quảđạt được củađề tài 10

Chương 2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾTKẾ HỆ THÓNG.PHẢN HỒILực3D 12 2 ỉ Cấu tạo và nguyênlý hoạtđộngcủahệthong 12

2.1.1 Cấu tạohệthống phản hồi 12

2.1.2 Cấu hình vànguyênlýlàm việc phanhMRF 13

2.2Phân tích từ MRB với phương pháp PTHH 14

2.3Mô hình toàn củaMPB vàđộng học của cầnđiều khiển 16

2.3.1 Tínhtoánmô men xoắn của MRB 16

2.3.2 Động học và quanquan hệ giữa mô menTb và lực phản hoi F 18

2.4Toiưuhóaphanh MRB 21

2.4.1 Hàm mụctiêu của MRB 21

2.4.2 Phương pháp tốiưu PSO 22

2.4.3Kết quả tối ưu hóa MRB 24

Chương 3 CHẾ TẠO MÔHÌNH VÀ THựC NGHIỆM 27

3.1Thiết kế và kiểm tra bền mô hình 27

3.2Chế tạo vàhoànthiện mô hình 30

3.3 Thiết ỉậpmô hình thỉ nghiệm và kết quả thực nghiệm 31

Chương 4.KẾT LUẬNVÀKIẾN NGHỊ 41

4.1 Kết luận 41

4.2Kiến nghị 41

TÀILIỆUTHAM KHẢO 42

Báo cáo đề tài khoa họcIUH

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

MRF:Chất lưu từ biến

MRB:Phanhlư biến từ

POS:Phương pháp tối ưu bàn đàn

SMA:Hợpkim nhớhình

FEM:Phương pháp phần tử hữu hạn

DVBiến thiếtkế

Báo cáo đề tài khoa họcIUH

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Báo cáo đề tài khoa họcIUH

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1 Thành phần chínhMRF 2

Hình 1.2: CáctrạngtháiMRF 3

Hình 1.3 Mô hình thửnghiệm của BerkGonenc 4

Hình 1.4Cơcấuphảnhồilựcdùng phanhMRFcầu 5

Hình 1.5 Mô hình phảnhồi lực joystick2D 6

Hình 1.6 Mô hình phảnhồi lực 2D của Nguyen p.B 6

Hình 1.7 Hệ thống phảnhồi lực 4 DOF 7

Hình 1.8 Mô hìnhtay máy 3 bậc tự do 8

Hình 1.9Mô hình phản hồilực 3D 9

Hình 1.10Mô hình tay máy 3 bậc tự do 9

Hình 2.1 Cấu hình củacần điều khiển 3Dphảnhồilực 13

Hình 2.2 Cần điều khiển quanh trục X 13

Hình 2.3 Cần điều khiểnquanhtrục Y 13

Hình 2.4 Cấu hình vàthông số hình học của phanh MRF 14

Hình 2.5 Mô hình phần tử hữu hạn phântích từ của MRB 15

Hình 2.6 Mô phỏngđường sức từ củaMRB 16

Hình 2.7 Sơ đồđộng học của cần điều khiển 19

Hình 2.8 Lưu đồ tối ưu hóa MRB sửdụng phương pháp PSO 24

Hình 2.9 Kếtquảtối ưu khốilượng của MRB 25

Hình 2.10 Phânbố mật độ từ thông của MRB ởmức tốiưu 26

Báo cáo đề tài khoa họcIUH

Hình 3.5 Mô hình thí nghiệmphảnhồi xúcgiác3D 32

Hình3.6 Mô hìnhthực nghiệm xácđịnh mô men đầuratừngMRB 33

Hình3.7Ketquả mô men đầu ra của cácMRB 34

Hình3.8 Quan hệgiữa dòng điệnáp dụng (I)với mô menphanh (Tb) 36

Hình3.9 Bộ điều khiển vòng hởcủa lực phản hồi yêucầu 37

Hình 3.10Kết quả thực nghiệmcủa lực/mô men phảnhồi của cần điều khiển 39

Báo cáo đề tài khoa họcỈUH

1.1 Giói thiệu chung

Hiện nay ngành côngnghiệpđã pháttriểnrất mạnhvề mọi mặt nhưng vẫn cómột số trườnghợp phải làm việc trong môitrường khắc nghiệt, độc hạilà điều không thể

tránh khỏi như trong nhữnglĩnh vực hạt nhân, hóa chất độc hại, phòng cháychữacháy,

ràphá bom mìn,phẫuthuật y khoa.Dođó đểđảm bảoan toàn chonhững ngườiphải

làm việc trong các môi trường trên thì một trong những giảipháp được áp dụng phổ

biến nhất hiệnnay là sửdụng Robot điều khiển từ xa đólà hệthốngrobot chủ-tớ (Master-Slave) Vớicông nghệ hiện đại như làkỹthuậtcamerađã được sử dụng để

quansát môi trường làm việc, tuyvậyviệcthiếuthông tin tương tác trực tiếpcủa hệ thống như lực,mômen,chuyển vị đã ảnh hưởng không nhỏ đến khảnăng vận hành,

cũng như độchính xác khingười vận hành điều khiển hệ thống Nên việc nghiên cứu và pháttriển một hệ thống phản hồilực rất cầnthiết đặcbiệtlà sửdụng vật liệu thông minh như SMA, MRF, ERF đã và đang nghiên cứu rất mạnh Mụctiêu của hệ thống này là mô tả hệ taymáy 3 bậc tự doxoay tương ứng vớiba gócquayvàba góc quay

này được kiểm soát bởi 3 phanh lưu chất MRBđược đặt tại 3 vị trítương ứng.Hệnày được tínhtoán thiếtkế, mô phỏng tối ưu sao cho tại cácMRB đạt mô men theoyêu cầu và cókhối lượng là nhỏ nhất,từđósẽ thực nghiệm đánh giá khảnăng đápứng củahệ

thống về khả năng phản hồi lực.

1.2Đặc điểm chung củaMRF

Chấttừ biến (Magneto Rheological Fluid - MRF) là một dạng lưu chất thay đổi cáctính chất lưubiếnnhư độ nhớt, ứngsuấtchảy dưới tác dụngcủa từtrường,là một trong số các loại vật liệu thông minh (Smart Materials) thông dụng trong kỹ thuật Lưu

chất này cókhảnăng chuyển từ trạngthái lỏng sang dạng trạngthái sệt (Semisolid)khi có từ trường đi qua lưu chat.MRF đã được Jacob Rabinow nghiên cứu tại Cục tiêu

chuẩnquốcgiaHoa Kỳ vàocuối những năm 1940s [1] MRF baogồmchất lỏng nền, các hạt từ tính phâncực và chấtphụ gia.Các hạttừ tính phâncực có vai trò cơ bản trong các hiệuứngcủa từ trường bênngoàiđưa vào Chất phụgia được dùng để giảm

bớt sự lắng đọng củacác hạttừ tính, vì sự lắng đọng của hạttừ tính ảnhhưởng khá lớn đến khảnănglưu biến của MRF Đặc điểm từ tínhcủa MRF bao gồm ứng suấtchảydẻo,độ nhớtsau chảy dẻo và độ lắng đọng [2,3] Tính lưubiến này phụ thuộc vàocác

Báocáo đềtài khoa họcIUH

tham số biến đổikhác nhau như tỷ trọng hạt từ tính, loại hạt từ tính, mậtđộ các hạt từ tính, cường độtừ trường, nhiệt độ,tính chất của chất lỏngnềnvàloại chất phụ gia [4]

Tínhlưu biến của MRF như độnhớt, tính đànhồi haytính dẻo của MRF phụthuộc vào từ trường đi qualưu chất.Khi từ trường đi qua lưuchất thì các đặc tính của MRF được

biểudiễn qua môhình Bingham[5].

1.2.1 Thànhphầnchính MRF.

MRF gồm ba thành phần chính đólà:hạt từ tính (1),chất lỏng nền (2), chấtphụ

gia, được thể hiệnbởi Hỉnh1.1

Hình 1.1: Thành phần chính MRF.

Các hạt từ tính của MRFhiện nayđượcsử dụng như sắt,hợpkim sắt, oxitsắt, nitrat sắt, cacbua sắt,sắt carbonyl, niken và coban[6,7].Trong đó hạtphảnứngtừ thường đượcsử dụngđểchế tạo MRỈ'là sắt carbonyl, ứng suấtcựcđại củaMRF đạt

đượckhi cườngđộ từ trường áp dụngvào MRT làm cho bão hòatừ của các hạt từ tính được xác lập.Kíchthước hạt từ tínhtrongMRF thường nằm trong khoảng 0,1-10 pm.

Chất lỏngnền được sử dụng trong MRF có thể là dầu silicon,dầu khoáng, dầu paraíin, dầu thủy lực,chấtlỏnghữu cơ như halogen, diesters, polyoxyalkylen, silic fluoride, nước và dầuhydrocarbon tổnghọp[7].

Chấtphụ gia thêm vào nhằmlàm giảm sự lắng đọng của các hạt từ tính trongMRF [8] Hiệntượnglắngđọng có thể gây ra hiệntượng suy giảm độ nhớt của MRF[9] Khisựlắng đọng của MRỈ'tăng lên thìdướitác động của ứngsuất caovà tốc độ cắt cao trongmột thời gian dài làm cho chất lỏng sẽđặc lại[10]

Báo cáo đề tài khoa họcIUH

1.2.2 Nguyên lý hoạt độngMRF.

Khi MRF ở trạng thái bìnhthường(khi từ trường không đi qua MRF), các hạt từ tính chuyển động tự do,MRFứng xử nhưlưu chất Newton (Hình 1.2 a).Khi MRFở

trạng tháicó 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.Cáchạt từ này có khả năng chốnglạisự phá vỡ liên kết, làm cho lưu chất sệt lại Khicường độ từ trường ở mức

thấp thì sựphânbố các hạt từ tính chưa rõ ràng(Hình 1.2 b),cònkill cường độtừ trường cao thìsựphânbốcác hạttừ tính sẽđinh hình rõ ràng hơn (Hình 1.2 c).Khả năng hên kết của các hạt từ tính phụ thuộcrất lớn vào cường độtừ trường bên ngoài

1.3 Tổng quan tình hình nghiên cúu vàtính cấp thiết tiến hành nghiên cúu

1.3.1 Tình hình nghiên cứu quốc tế

Trongnhữngnăm hiện nay việc sử dụng bộ điều khiển từ xa trong môi trường

nguy hiểm,bao gồmcả robot phiêu lưu, đã chứngkiến sựphổbiếnngày càng tăng trong các ngành công nghiệphiện đại [11] Tuy nhiên, mộtthách thức đáng kể trong các hệthống điềukhiển từxalà thiếu phản hồi lực và mô-men xoắn, làmảnh hưởng

đếnđộ chính xác và tính hull hoạt của việc điều khiểncủa người vận hành [12], Để khắcphục hạn chếnày, việc tích hợp phảnhồilực, được gọi là hệ thống xúc giác từ xa,

đãđạt đượckết quả đảng kể trong nghiên cứu [ 13].Vì vậy, mộthệ thốngđiềukhiểntừ

xacóphảnhồilực tới người vậnhành (hệ thống xúc giác từ xa) là rất quan trọng.Chất

lưu biếntừ(MRF) đã được biếtnhưmột vật liệu đầy triển vọngcho nhiềuứngdụng

Báo cáođề tài khoa họcỈUH

khácnhau nhờ các đặc tínhlưu biến độc đáocủa nó dưới tác dụng của từ trường bên ngoài [14, 15, 16], Các nghiên cứutrước đâychủ yếutập trung vào các hệ thống xúc

giác sửdụngbộtruyền động từ tính (MR) Ví dụ, Yamaguchi vàcộngsự đã đề xuất một hệ thongxúc giác đa bậctụ do (DOF) với phanhMR tương đối lớn, nhưnghệ

thống này phải chịu khối lượng lớn vàlực ngoài trạng tháihạnchế[17], Winter và Bouzitđã phát triển găngtay phản hồi lựcsử dụng phanhMR tuyếntính, nhưng họgặp

phải những tháchthức nhưlựclệch trạng thái cao và kích thướcphanh lớn [18],

Bullion và Gurocak đã thiết kế một chiếc găng tay xúc giác 3-DOF với phanhMR xoay, cung cấp lực phản hồi cho các ngón tay cụ thể,nhưngvẫn thiếu các thử nghiệm

Berk Gonenc [20] đã phát triển hệ phản hồihỗn họp bao gồm phanh MRF dạng tangtrống kết họp với độngcơ DC servo thể hiện bởi Hình 1.3.Hệthongnày mô

phỏng lại việc cắt mô cho cácloạikéo phẫu thuật nhưng chỉ có một bậc tự do nênchưa thếáp dụng chocácthaotácphứctạp của việc phẫu thuật từ xa Thiết kế này sau khi

tối ưu hình học có mô men củaphanh đạt 1,5 Nmcòn cảhệ tối đa là1,77 Nm.

Hình 1.3Mô hình thử nghiệm củaBerk Gonenc[20],

Doruk Senkal và cộng sự [21] đã nghiên cứu chếtạo cơ cấukhóp quay phảnhồilực đahướng dùngphanh MRF dạng cầu biểu diễn bởi Hình 1.4 Đường kínhquảcầuphanh là D = 76,2 mm mô men tạo ra lên đến 3,7 Nm Tuy nhiên, hệ này khôngthểđiềukhiển mômen riêng rẽ theo mỗi phương, kết cấu phức tạp và lực tác động không

Báo cáođề tài khoa họcỈUH

phản hồi lên tayngười điều khiên.

Hình 1.4Cơ 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

haiphanh quay sử dụngMRF thể hiện bởi Hình 1.5 Cácphanh này có thông sốcơ bản

là D = 156 mm,L= 21 mm,mô mentạoratừ 0,7 Nm đến 6 Nm.Cácphanh được sử

dụngvẫn là các phanh truyềnthống(các cuộn dây quấn ở vỏ ngoài) vàviệc tối ưu hoá hình học chưa được xem xét nên kết cấuphanhcòn khá lớn Trongnghiêncứu này, tác giả đã sử dụng cácMRBđể tạo mômen phản hồi, người điều khiển chỉ cảm nhận được

lực tác độngkhithực hiện chuyển động cần điều khiến dovậy khi cần điều khiển khôngchuyển động lực tác động không phản hồi lên tay ngườiđiều khiển.

Hình 1.5 Môhìnhphản hồi lực joystick 2D [22],

Báo cáo đề tài khoa họcIUH

Nguyen p Bvà các cộngsự [23] đã thiết kế và chế tạo cơ cấu joystick2D biểu

diễn bởi Hình 1.6 có phảnhồi lực, sử dụngcơ cấu quayhai chiều dùng MRF Đối với hệ nàythìmômen ma sát có thể được khửvà hệ thốngcóthể phản ánhđược mô men

rất nhỏ lêntayngườiđiềukhiển do đó người điều khiển cóthểcảm nhận được lựctác

động ngay cả kin cần điều khiển không chuyểnđộng Tuy nhiênvẫn như các nghiên cứu trước kia,kiểuquấn dâytruyền thống (cuộn dâybố trí ở mặt trụ của vỏ)dẫntới

hiệntượng thắt nútcổ chai và việc tối ưu hoá hình học chưa được xem xét nên kết cấu

hai chiều còn khá lớn,mô menphảnhồi 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] đãthiết kếvà chế tạo hệ thống điềukhiển có phản

hồi lực 4DOF ứngdụng vào hệthống phẫuthuật biểu diễnbởiHình 1.7.vềbảnchất,

nghiêncứu này là sự phát triển tiếp theo củanghiên cứu do Nguyen p B[23] vàcác

cộng sự thực hiện Oh Js và các cộng sựđã sửdụng lại cơ cấu joystick 2D được đề

xuất bởi Nguyenp B [23]để phản ánh mô men lắctrong mặt phẳngđứng (pitch) và mô

menquay(roll) của rô bốt phẩu thuật, bên cạnh đóbố tríthêm hai ly hợpdùng MRF

(MRC) đểphản ánh mô men lắc trong mặt phẳng ngang(yaw) và lực tiếp cận dọctheo hướng mũi của dụng cụphẫuthuật Tuy nhiên,vẫn như các nghiêncứu trướcđây,mô

men của phanhdừng trong nghiêncứunày không cao nhỏ hơn 2 Nm Hơn nữaviệc gắn

một khốilượng 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 quántính.

Báo cáo đề tàikhoa họcIUH

Hình 1.7 Hệthống phản hồi lực 4DOF [24].

1.3.2 Tìnhhìnhnghiêncứutrongnước

Hiện nay,cácnghiên cứuliênquan đến hệ thống phảnhồi lực trong nướccòn ít quan tâm, như nghiên cứu liênquanhệ tay máy Master và Slavesao chép chuyền động

điều khiển từ xa (Tele-Manipulator) của tácgiảTừ Diệp CôngThành [6],Nghiên cứu nàytập trung vào thuật toán điều khiển hệ thống, áp dụng bộ điều khiển PIDkết hợp

với mạngthần kinh nhân tạo Chức năng điều khiển chỉthựchiện sao chép chuyển

động.Các thiết bị nghiêncứucủa đề tài chỉlà mô hình thínghiệm nhỏ,không đềcập đếnviệcứng dụng trongmôi trườngthựctế.Ngoài ra, đề tàichỉgiới hạn việcsaochép

vị trí màkhông đề cậpđến việc phảnhồithông tin về lực từ cơcấu chấp hành củatay

máy slavelên ngườiđiều khiển.

Nguyễn Ngọc Điệpvà cộng sự [25] đã thực hiện đề tài“Nghiên cứu, thiết kế và chếtạomôhình tay máy sao chép chuyểnđộng và phản hồi lực ”biểu diễnbởi Hình

1.8 Nghiêncứu[25]là mộttay máycông nghiệp3 bậc tự dodạngelbow (khớp nối),

taymáy Masterđược thiết kếlà sao chép lạikích thướcchuỗiđộng của tay máy bị

động Bằngviệc sử dụng bộđiều khiểnPID,hệ thống sao chép chuyển động từ taymáy Master quatay máy Slaverấttốt,tuy nhiên khả năng phảnhồilực từ lúcđầulàmviệc của tay máy Slavelên người điều khiếntay máy Master chưa tốtdo lực masát 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 họcIUH

Hình1.8 Mô hình tay máy 3 bậctự do [25]

Diệp Bảo Trí[26]và các cộng sự đãphát triển một hệ thống phản hồilực 3D sử

dụng hai cơ cấu hai chiều BMRA và mộtcơcấu tuyến tínhLMRB thông qua cơ cấu

gimbal (Hình 1.9) Hệ thống này cóưu điếm làkhử được mômen banđầu của hai

phương X, Y, có xét tới bài toán tối ưuhóakhối lượng của cơ cấu chấphành, khả năng phảnhồilựctốtnhưng vẫn còn nhược điểm lựctrạngtháitắtcòn lớntheo phương z nên cũngảnhhưởng trong quá trình phản hồilực chungcủahệ thống

Cảm biến góc Cảm biếngóc BMRA-X Hệbánh

Hình 1.9 Mô hình phản hồi lực 3D [26]

Báo cáo đề tài khoa họcIUH

Diệp BảoTrí [27] và các cộng sự đã phát triển một tay máy phản hồilực 3D sử dụng hai phanh MRB biên dạng phức tạp và mộtcơ cấu tuyến tính LMRB thôngqua

các khớp nối tạothành cánh tay robot3D(Hình 1.10) Hệthống này có ưu điểmlà tạo mô men lớndo biên dạng củaMRB dạng răng nên đápứng tốt, có xét tớibài toántối

ưuhóakhối lượng của cơ cấu chấp hành,khả năng phản hồi lực tốt nhưng vẫn còn

nhược điểm lực trạng tháitắt còn lớn theo phươngznêncũng ảnh hưởngtrong quá trình phản hồi lực chungcủa hệ thống

MRB 02 LMRB

Hình 1.10 Mô hình taymáy 3 bậc tự do [27]

1.4 Tính cấpthiếtcủa đềtài

Trong các nghiêncứu trước đây chủyếu là joystick 2 bậc tựdo dùngphanh MR hoặc3 bậc tựdo dùng 2 phanh quay(MRB) và 1 phanh tịnhtiến (LMRB) Nhược điểm của việc dùngphanh tinh tiến là lực ma sát khôngtác dụng (off-force) cònlớn do ma sát ban đầu lớn dẫntới việc điềukhiển hệthống khồng linhhoạt Dovậyviệc dùng 3 phanh quay làrất cầnthiết đểnhằm giảm lực ma sát đồng thờităng khảnăng phản hồi lựctốt hơn.

vềtính khoahọc nhóm nghiên cứu tiến hành xây dựng mô hình toánhọc

quan hệgiữamô menđầu ra của cácMRBtại 3trụcquay của cơ cấuvà lựcphản

hồi tại núm điều khiển của cơcấu Mởra hướng phát triển mới trongviệc phát triển cơcấu phản hồi lực.

Báo cáo đề tài khoa họcỈUH

1.5Mục tiêu nghiêncứu1.5.1Mụctiêu tổng quát.

•Hệ thống cókhảnăngphản hồi chính xáclực 3D lên tay ngườiđiều

• Giảm thiểu tối đaảnhhưởng của lực ma sát lên tay ngườiđiềukhiển •Đánh giá khảnăngđáp ứngcủa hệthống phản hồilực.

1.5.2 Mụctiêu cụthể.

•Pháttriển phanh MRB vớikhối lượng nhỏ nhấtđáp theo yêu cầu của hệ thốngphản hồi lựcthông dụng

• Pháttriển hệthống phản hồi lực 3D dựa vàosự kếthợp của các MRB •Pháttriển môhìnhtoán và bộ điều khiểnchohệ thống phảnhồi.

1.6Phạm vi nghiên cứu:

1.6.1Cách tiếp cận và phươngpháp nghiêncứu

• Phân tích và mô phỏng, kế thừa

•Tổng hợp,phản biệnvà thực nghiệm

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

• Đe tàinày sử dụngcáckiến thứcvề vật liệu thông minh MRF, phương pháp tốihóa và kỹ thuật điềukhiển hiện đại.

• Đe tài này làmcơsở cho việc thiết kế và chế tạo hệ thống phản hồi

lực ứng dụng trong cáclĩnhvựckỹ thuật như điều khiển từ xa vàtrong phẫu thuật y khoa.

1.7Kếtquả đạt được củađề tài

•Thuyết minhđề tài

•Một mô hình hệthống phản hồi lực sử dụng MRF •Một bài báo Scopus Q2(theoyêu cầu chỉ Q3)

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

Báo cáo đề tài khoa họcỈUH

•Bảo vệ thànhcông một đề tài Thạc sĩ (đề tài không yêucầu)•Đetài đại họcđã bảo vệ (đề tài không yêucầu)

Báo cáo đề tài khoa họcỈUH

Chương 2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

2.1 Cấutạo và nguyênlýhoạtđộng của hệthống.2.1.1 Cấu tạo hệ thống phản hồi

Mộthệ thống phản hồi xúc giác 3Dđược đề xuất thể hiện ở Hình 2.1.Hệ thống baogồm một cần điềukhiển xúcgiác 3Dđược kếthợp với một cơ chế gimbalvà 3 phanhtừ lưu biến (MRB) để chophépphảnhồi lực của cácchuyển động quay Cơ chế gimbal baogồm ba trục (thông qua3 khung của cơ cấu) được kếtnối vớicácMRBlần

lượt làMRB01, MRB02 và MRB03 Mỗi trục đầu ra của MRB được liênkét với các

trục của cơcấu gimbal, để đảm bảo khi gimbal quay thì cáctrục của MRB cũng quay tương ứng Bộ mã hóa góc đượcđặt ở phía đối diện củamỗitrục MRB nhằm xác định góc quay của cần điều khiển Ưu điểmcủa cơ ché gimbal là điều khiển đồngthờicả ba trục, thiết kế nhỏ gọnhơn so với cácnghiên cứu trước đó và điều chỉnh góc quayđộc lập.Các góc quay theo trụcX và Y được trình bàyở Hình2.2 và Hình2.3 và có phạm

vi hoạtđộng tươngứnglà±65° và±57°, trong khigócquay theo trục z có phạm vi là 360° Mô men xoắn đầu ra củacác MRB được xácđịnhbằngcảm biến lực 3Dnằm

giữatay cầmvà núm điềukhiển Bằngcách tínhtoán cánh tay đòndựatrêncác góc củabộ mã hóa góc và vị trí númthì hệ thốngcó thể thu được các lực phản hồi Fx, Fy

vàTztheo ba hướng vuông góctại núm Cáclực này được tạora thông qua mô men xoắn do MRB tương ứng tạo ra Đe duy trìsự cân bằng trong quá trình quaycủa trục Y

thì nhóm nghiên cứu có bố trí mộtđối trọng ở vị trí đối xứng với MRB01 nhằmcânbằng khi hệthốnghoạt động theo trụcY.Việc tích hợpcơ chế gimbal và MRBgópphầnvào hệ thống xúc giác 3D bằng cách cho phép điều khiển xoay chính xác và độc lậpdọc theotừng trục,thiết kế nhỏgọn và thu được lực phản hồiđể nâng cao tương tác người dùng

Báo cáođề tài khoa họcỈUH

Hình 2.1 Cấuhìnhcủa cần điềukhiến 3D phản hồi lục

Hình2.2Cầnđiềukhiển quanh trục XHình 2.3 Cầnđiều khiển quanhtrục Y

2.1.2Cấu hìnhvànguyênlý làm vỉệc phanh MRF

Cấu hình của phanh MRB đuợcđềxuất làdạngphanh luu biến từ rôto hìnhrăng

đuợc sử dụng cho cần điều khiểnxúcgiác 3D trong nghiên cứu này đuợc trình bày trong Hình 2.4.cấutạo củaMRB bao gồmđĩa phanh vớivậtliệu từ tính (thép C45)

đuợcliênkết vớimặt bích củatrục phanh với vật liệukhông có tùtính (Inox 304), trục này đuợc cốđịnh trên hai0 lăn chặn ở hai đầu trục và các0 lăn nàyđuợc cốđịnh trên

Báo cáo đề tài khoa họcIUH

haithân vỏ (vật liệu C45)trong và ngoàicủa MRB Giữa thân vỏvà đĩa phanh được bố

trí một khe hở thíchhợp nhàm lấp đầychất lưu biến từ Để tạo ra từ trường đi qua khe lưuchất thì nhóm nghiên cứu bố tríhai cuộn dâytừ tính (vật liệu là đồng) ởmỗi bên

của thân vỏ phanh Điều đáng chú ý là mỗi cuộn dây đượccấphaidòngđiện chạy

ngượcchiều nhau Cácthông sốhình học cơ bản của phanh cũng được trình bày ở

Hình 2.4 Các thông số này sẽlà cácbiến thiết kếtrongquá trình tính toán tối ưu hóa của phanhnhằm mục tiêu giảmtối đa khối lượngphanhvàđạtmô men đầu ra theo yêu cầu mà một hệthốngxúcgiác trong thực tế.

Hình 2.4Cấu hìnhvà thôngsố hìnhhọccủa phanh MRF.

2.2Phântíchtừ’ MRB với phương pháp PTHH

Việcmô phỏng đường từthông củaMRlà một côngviệcrất khó khăn và phức tạp.

Nên để phân tích mạch từ củaMRB tác giả đề xuất phương pháp phần tửhữu hạn

(FEM) được áp dụng bằng phần mềm phân tích thươngmại đó ANSYS APDL Hình

2.5 mô tảviệctriển khai FEM,sửdụng phần tử đối xứng trụcvới phần tử PLANE13

có sẵn trongphần mềm ANSYS APDL để xâydựng mạchtừ choMRB Trong phân

tích này, cácthành phần củaMRB như trụcphanh và cuộn dây được gán độtừ thẩm là 1,0 tươngđương với độthẩm của không khí Mặt khác, các thành phần từ tínhcủa

MRB bao gồmthânvỏ và đĩaphanhsử dụng đường cong B-H của thép C45 cho đặc

tínhtừ tính của chúng Lưu chấtMRF-132DGdoLord Corporation sản xuất đượcsử

Báocáo đề tài khoa họcIUH

dụng chonghiêncứu này thể hiệnởBảng2.1.

Bảng 2 í Thông số kỹ thuật củaMRF

Cường độ từ trường (kA/m)150 -250

Các đặc tínhtừ của lưuchất MR được ước tính bằng công thức thực nghiệm được sử dụngbởinghiêncứu [28]:

B= 1.91 • ộ1133 [1 -exp(-10.97 •Ho • //)]+go • H

(2-1)

Báo cáođề tài khoa họcỈUH

- B là mật độ từthông được đobang Tesla(T)

- H là cường độ từthông (A/m)

- po là độ từ thấmchânkhôngđược ký hiệu làp0 = 4ĩĩ.107 (Tm/A) - ộ làphầntrămcủa hạt sắtcó trong MRF

Hình 2.6 đưa ra hình dạngđường từ thông được mô phỏng trong phanh lưu biến từ

khi áp dụng phần mềm AN SYS APDL.Be mặt đĩa phanh vàthân vỏphanh được thiết kế dạng răngmục đích tăng diện tích bề tiếp xúc mặtgiữa chất lưuMR, đĩa và thân vỏ phanh Với cấu hìnhnàydự kiến sẽ tăng mô men xoắncảmứng và giảm bớt hiệu ứng thắt cổ chai thườngthấy trong các phanh MR trướckia.

2.3Mô hình toán của MRB và độnghọc của cần điềukhiển2.3.1Tính toán mô men xoắn của MRB

Trongphần này, mô hình dẻo Bingham vàphưongpháp phầntử hữu hạn (FEM)

được dùng để thiết kế và môphỏngtính toán cho MRBcủa cần điều khiểnxúc giác 3D đãđề xuất FEMchophépphân tích chitiết mạch từ vàhoạt động của lưu chấtMR dướicác cường độ từ trường khác nhau Môhình dẻo Bingham đượcsử dụng để xác

định cácđặc tính lưu biếncủa lưu chat MR, thế hiện bởicả đặctính nhớt vàdẻo.

Báo cáo đề tài khoa họcỈUH

Các giả định đượcđưa ra trong quá trìnhmô phỏng, chẳng hạn như giảsử lưuchất

MRkhông thể nén được,bỏ qua ảnh hưởngcủa sự thay đổi nhiệt độ và giảsửvận tốc

củalưuchấtMR là tuyến tính kheMRF.Nhữnggiảđịnh này được đưa rađểđơngiản hóa quá trình thiết lập mô hình trongkhi vẫn đạt đượchoạt động cơbản của phanh

MR Bằng cách sử dụngmô hình dẻoBingham cholưu chất MR, thì việc ướctính mô

menxoắn đầu ra của MRB, nhưđược môtả trong Hình 12, được áp dụng theo phương trình sau [29, 30]:

- TEklà mômen masátgâyrabởi MRFtrongống thẳng đứng Ek

- Tijlà mômen ma sát gâyrabởi MRF trong ống nghiêng Ij

- Tc là mômen ma sátgâyrabởi MRF trong ốngmặt trụcủađĩa

- Ts làmô men ma sát của phớtchặn MRF

Điều quan trọng cầnlưu ý là mômen ma sát củaổlăn có trongcơ cấu được bỏqua trong nghiên cứu này.

Cácmômen ma sátTeỉì,Tij, Tcvà Ts đượcxácđịnh theo các phươngtrình sau [30]Các thông số đượcbiểu diễnở cácphương trình trên bao gồmRk và Rj biểu thị bán kính vị trí củađiểm thứ k (rảnh lưuchấtthẳng đứng) và thứ j (rảnh lưu chấtMR

Báo cáo đề tài khoa họcỈUH

nghiêng) trong biên dạng đĩa của phanh MRđược đưaratrong Hình12 Thông số ỉdvà

alần lượt làchiều dài vàgóc của ống nghiêng của lưu chấtMR.Rsbiểu thị bánkính

của trục phanh (tính bang inch)

TEk, Tĩj,Tc lần lượtlà ứng suất chảy dẻo của MRF trong ống thẳng đứng Ek, ống nghiêng Ih mặttrụ của đĩa phanh

ĩỊEk, ĩỊc là độnhớt sau chảydẻo tưong ứngcủa MRF 0) là tốcđộ góccủa trụcphanh.

Trong nghiên cứu này, ứngsuất chảy dẻo và độ nhớtsau chảy dẻo làhai đặc tính

lưu biếncủa chấttừ lưubiến, nó phụthuộc vào mậtđộtừthôngcảm ứng trên ống MRF Các giá trị gần đúngchocác đặttính này được biểu thị bằng các phưong trình

Mậtđộ từ thông đượcbiểuthị bằng B vàcác chỉ sốmô men bão hòa choứng suất

chảy và độ nhớtlầnlượt đượckýhiệu làKr vàKĩị.

Trong nghiên cứu này,Hình 2.7 trình bày so đồ động học của cần điềukhiển xúc

giác3D Chiều dài của taycầm dọc theo trục z đượcđặt là chiều dàil.Các góc quay

của taycầmđối vói các trục X,Y vàz lần lượt đượcbiểu thị bằng (p, ỡ,ụ/ Dựa trên

các nguyên tắcđã nóiỏ trên ta có Bảng 2.2Denavit-Hartenberg (D-H) cho cần điều

khiển xúc giác 3D được áp dụng

Báocáo đề tài khoa họcỈUH

z ▲

Hình 2.7Sơ đồđộng họccủa cần điều khiển

Bảng 2.2 D-H củacần điều khiển

Báo cáo đề tài khoa họcỈUH

Đẻ xác định vị trí của núm điềukhiểntácgiảáp dụng phươngpháp động học thuậnnên bán kínhcần điều khiển được xácđịnh bởi

Áp dụngnguyênlýcông ảo để xác mối quan hệ giữa mô men tác dụng (Tb) và lực (F) tác dụng lên núm vậnhành được xác địnhnhư sau:

Trongphương trình(2-11) thì J đại diện cho ma trận Jacobian của cần điềukhiển xúcgiác3D vớicác góc tương ứng Tx, Ty và Tz biểuthịmô men cảm ứng của các

phanh MR tươngứngvớicác hướng X,Y và z Với Fkx, Fkyvà Tkzbiểu diễn cho các

lực và mômen xoắntác dụnglêncần điềukhiển 3Dtheo cáchướng X, Y và z

Báo cáo đề tài khoa họcỈUH

Ma trận chuyển vị của cần điềukhiển xúcgiác3Dcó thể được xácđịnh dựa trên

các mụctrong Bảng2.2với Ypii = Xpx\ Vp2i = Xpỳ, Xp3i = Xpz.

2.4 Tối ưuhóa phanh MRB

2.4.1 Hàm mụctiêucủa MRB

Đểgiải quyếtbài toán tối ưu chúngtôi gióithiệubài toántối ưu hóa liên quanđến

phanh lưu biến từ(MRB) với hai mục tiêu chính đólà khối lượng vàmômen xoắn cảm ứng của phanh.Điềuquan trọng cầnlưu ý là hai mục tiêunàymâu thuẫn vói nhau trongquá trình tốiưu hóa thiết kếphanhMRF.Tuynhiên mục tiêu chínhcủa bài toán

tối ưuhóa là giảm tối đa khối lượng củaMRB (mb), đồngthời đảm bảorằng mô men cảm ứng (Tb)vẫnbằng hoặc cao hon mô men mong muon(Tbr). Hạn chế này rấtquan

trọng để đạt được lực phản hồi dựđịnh đồngthời đạt đượcsự cân bằng giữa các mục tiêu trên Khốilượng củaMRB được xácđịnh bởi côngthức sau:

OBJ \ —Tìib — vdpd + vhph+ Vmrf Pmrf + VcPc +VsPs(2-13) Vói ràng buộc Tb>Tbr

Vd, Vh, Vmrf, Vc vàvs lần lượt biểuthịcho thể tíchcủa đĩaphanh, thân vỏ, lưu chất MR, cuộndây và trục phanh.

pd, ph, pMRF, pcvàpslần lượt biểu thị cho khối lượng riêng vật liệu tưongứng được sử dụng chocác thành phần trên Việc xácđịnh mômen xoắn cảm ứngcần thiết cótính

đến lực phản hồi mong muốn lớn nhất theo từnghướng Giá trị này cóthể được tínhbằng biểu thức sau:

Báo cáo đề tài khoa họcỈUH

Mụcđích của nghiêncứunày thì lực phản hồimong muốn tối đađược biểu thị

bằngFmax,được đặt là 20N Với giátrị nàychobiếtlực cao nhất được coi là phùhợp để có phản hồi xúc giác hiệu quả Ngoài ra, chiều dài tối đacủa taycầmđược sửdụng

trong thí nghiệm, kýhiệulà ỉmax, được xácđịnh là200 mm Theo phưong trình(2-14),

mômen cảm ứngcầnthiết đượctính là4 Nm Tuynhiên, để tínhtới khảnăng mô hình

khôngchính xác và tổn thấttừ trường nên giá trị 5Nm được chọnlàm mômen cảm ứngmongmuốn.

Honnữa, vấnđề tối ưu hóa trong nghiêncứunày cókết hợp các kích thướchình học quan trọng của phanh lưubiến từ, được gọi là các biến thiếtkế (Dimension Variable - DV) Các biếnDVnày đóngvai tròrất quan trọng trong việc giải quyếtvấn

đề tối ưu hóa đượcyêu cầu và xácđịnh cấu hìnhtối ưu của MRB đểhoànthànhcác mục tiêu nhấtđịnh Với mục đích cần đạt được một thiết kếhiệu quảthì các biến DV

của MRBđượcđưarabao gồm độ dày đĩa phanh(íẠ chiều cao và chiều rộngcuộn

dây (hc, Wc), bán kínhtrongcủađĩa phanh(Rị), bán kính trong của răng (R1), độdày ống nghiêng (tỉ), độdàyđỉnhrăng(tĩp), độdày đáyrăng(tứ), khoảngcách răng(dí),

chiềucao răng (hỉ), độdày răng hình chữnhật(trì),độ dàythànhmỏng (tw) vàbềdày

vỏ (to đến và th)

2.4.2Phương pháp tối ưu PSO

Để giải quyếtvấnđề tối ưu hóa được trình bày như trên, cóthể sử dụng nhiều phươngpháp khácnhau, chẳng hạn nhưphương pháp Newton-Raphson, phương pháp Quasi-Newton,phương pháp Powellvà phương pháp tối ưu hóa bầy đàn (PSO) Trong số các phươngánnày,phương pháp PSO đặc biệt phù hợpđể giải các bài toánmột

mục tiêu có ràngbuộc.Nó đượcbiết đến với khả năng tìmkiếm các giátrị tối ưu toàn

cụcvà cácđiều kiệnkhởi tạo đơngiản.

Ngoài ra, phương pháp PSO cònmanglại lợithế về hiệu quả tính toán, yêu cầu bộ nhớlưutrữ nhỏ và giảmthời gian tính toán thông qua các phương pháp tínhtoán đơn

giản hóa Bằng cách tận dụng hành vi củabầyđàn, PSOliên tụckhámphá các không

gian tìmkiếm mới dựa trênvị trí cập nhật và vậntốc củacác cáthểtrong bầy, tạođiều kiện hội tụ hướng tới giải pháp tối ưu [31, 32] Trong thuật toánPSO,cóhai tùy chọn để tùy chỉnh tiêu chí hội tụ: một là thay đổingưỡnghội tụ vàhai là thay đổi sốlần lặp

Báo cáo đề tài khoa họcỈUH

tối đa của cáclần lặp.

Trongnghiên cứu này, phương pháp PSO được ápdụnggiữa MATLAB kết hợp với ANSYS APDLđểgiải bài toán tối ưu liên quan đến các yêu cầu của phanh lưu biến từ (MRB) Lưuđồ trong Hình2.8 minhhọa ứng dụng của PSO để giải bài toántối

ưuhóađượcđềxuất cho MRB.Đểgiải quyết vấnđề tối ưu hóa, một số tham số cần

được xác định,baogồm cácbiếnthiết kế đầuvào đượcđề cập trước đó nhưsốlần lặp

tối đa(ĩmax= 100)vàkích thước tổng thể (pop = 70) Hơn nữa,phương pháp PSO dựa

vào ba tham số cơ bản: hệ số tăngtốccủa cá thể (ci),hệ số tăngtốc của quần thể (C2) vàhệ sốquántính (w) Đe đẩynhanh quá trình hội tụ,nghiên cứu áp dụng phương

pháp tiếpcận hệ so co that do Clerc và Kennedy đề xuất, xác định hệ số co thắt của bầy

Báo cáo đề tài khoa họcĨUH

Hình 2.8 Lưu đồtốiưu hóa MRBsử đụng phươngpháp PSO

2.4.3Kết quả tối ưu hóa MRB

Đểngănchặn sự rò xỉ của MRF trongMRB thitác giả sửdụng phốt chặn loại mại Parker-62576 Đốivới cácthiết bị sử dụng MRF thì việc sửdụng kích thướckhehở MRF nhỏthi tạo ra mômenxoắn cảm ứng cao Tuy nhiên, cũngkèm theo nhược điểm

nhưgiảm hiệu suất MRB do năng lượng tiêu tán tănglên,vấn đề quá nhiệt tiềmẩn Ngoài ra, kích thướckhe hở MRF nhỏ cóthể dẫn đến chiphí chế tạocao.Đểgiải quyết những nhược điểm này và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thiết kế và chếtạo, kích thước khe hở của MRF (tg) được lấy theo kinh nghiệmlà0,8 mm trong nghiên cứu này Cuộndây đồng được sử dụng trongnghiêncứunày cókích thước24 gauge, đường

kính 0,511mm vàdòng điện làm việc tối đa 3 A Để đảm bảoan toàn chohệ thống

trong quá trinhtối ưu hóa, dòngđỉện 2,5 A được cung cấpchocuộndây.Hơn nũa, tỷlệ lấp đầy cuộn dây được lấy0,7 cho thiếtkế MRB Ngoài ra, dựa trên kinh nghiệm thực nghiệm, giả định tổn thất từ tính là 10% Giả định này xem xét tổn thất năng

Báo cáo đề tài khoa họcỈƯH

lượng trongMRB docácyếu tố như độtrễ và dòng điệnxoáy gây ra.

Sau 100lầnlặpkết quả tốiưu cho MRB đạt ở vòng lặp 30th.Các kếtquả này cho thấy rằng khối lưọng của MRB là 0,6871 kg vàmô men xoắn cảm ứng là5,118 Nm ở cấu hình tối ưu Hình 2.9 thềhiện sự thay đỗi của hàm mụctiêu (khối lưọng) trong suốt

quá trìnhtốiưu hóa bằngphưong pháp PSO, cho thấy sự hội tụhướng tới lời giải tối

ưu Hơn nữa Hình 2.10 minh họa sự phân bố mật độ từ thông trong MRB ở cấu hình

tốiưu Có thể quan sát thấy mậtđộ từtrên khe hở củaốngMRF thấp hon đáng kể ở mức tốiưu sovới giá trị ban đầu của cácbiếnthiết kế Ngoài ra, khối lưọng củaMRB

ở mức tối ưu (0,687 Ikg) nhỏ hơn đángkể sovới giátrị banđầu của nó (2,735 kg), cho

thấy sự cải thiệntrong việc giảm khối lượng Trong khi đó, mômen cảm ứng của MRB ở mứctối ưu (5,118 Nm) thỏamãnđiều kiện ràng buộc,trong đó mômencảm ứngyêu

cầulà 5 Nm Bảng 2.3 tóm tắtcác kết quảtốiưu của MRB cho cần điềukhiểnxúc giác