Kiểm định được góc uốn thực tế thông qua xử lý ảnh từ đó phân tích về đặc tính vật liệu thực tế so với mô phỏng, xác định mức áp suất giới hạn của mô hình cũng như giá trị áp suất phù hợ
TỔNG QUAN
Tính cấp thiết của đề tài
Robot mềm, hay Soft Robot, đã phát triển nhanh chóng từ năm 2008, với khả năng linh hoạt và an toàn khi tương tác với con người Dù đã được nghiên cứu từ giữa thế kỷ XX, thiết kế nổi bật đầu tiên là bộ truyền động khí nén bằng cao su do McKibben phát triển vào những năm 1950, nhằm hỗ trợ bệnh nhân bại liệt Robot mềm sử dụng vật liệu như gels, silicone và cao su, mang lại sự linh hoạt và độ bền cao hơn so với robot cứng Đầu thế kỷ XXI, sự bùng nổ công nghệ vật liệu đã thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng của robot mềm, giúp chúng trở thành giải pháp lý tưởng cho thám hiểm và cứu hộ trong các môi trường đặc thù Hiện nay, robot mềm không chỉ linh hoạt mà còn có khả năng tự phản ứng với môi trường, với nhiều hình dạng và cách di chuyển độc đáo Trong khi đó, robot cứng truyền thống, như AUV và ROV, gặp nhiều rào cản trong môi trường nước do thiết kế cứng nhắc và khả năng thích ứng kém, dẫn đến khó khăn khi hoạt động trong điều kiện phi cấu trúc.
Các động cơ của robot dưới nước có thể trở nên vô dụng khi gặp sình hoặc bề mặt dính, và trong quá trình di chuyển, chúng dễ bị cuốn rác hoặc bao nilon, dẫn đến kẹt động cơ hoặc hư hỏng robot Để hoạt động hiệu quả, các robot cứng cần kiểm soát động cơ đẩy một cách chủ động và liên tục, điều này tạo ra thách thức lớn về mức tiêu thụ năng lượng Hơn nữa, việc truyền nhận tín hiệu điều khiển cũng bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi môi trường nước, nơi gây nhiễu cho các tín hiệu Các robot cứng dưới nước truyền thống thường có kích thước lớn, điều này cũng ảnh hưởng đến khả năng hoạt động của chúng.
Robot lớn thường gặp khó khăn trong không gian hẹp do các thành phần cơ học như điều khiển và truyền động Giải pháp tối ưu là sử dụng robot mềm, với kích thước nhỏ và tính linh hoạt cao, cho phép tự do di chuyển và hấp thụ lực va chạm Octobot, một robot mềm, được thiết kế dựa trên cách di chuyển của bạch tuộc, là một ví dụ điển hình cho công nghệ này.
Robot mềm, như robot lấy cảm hứng từ cá đuối, có khả năng di chuyển linh hoạt trên mặt nước và ở độ sâu 10.900m tại rãnh Mariana, cho thấy ưu thế vượt trội so với robot cứng trong môi trường phi cấu trúc Mặc dù chúng an toàn và thích ứng tốt với bề mặt, tốc độ di chuyển của chúng vẫn còn thấp và không phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao Hầu hết robot mềm hiện nay chủ yếu hoạt động trong lòng chất lỏng, nhưng có nhiều ứng dụng cần robot di chuyển trên bề mặt, như thu gom dầu hoặc khảo sát trong các ống xả nước thải Việc sử dụng robot trong lòng chất lỏng thường kém hiệu quả do nhiều vật cản, vì vậy cần thiết kế tối ưu hơn cho robot hoạt động trên mặt nước, nơi chúng phải chịu tác động từ cả nước và không khí.
Sau hai thập kỷ phát triển mạnh mẽ, robot mềm đang thu hút sự chú ý nhờ những ưu điểm vượt trội Tuy nhiên, tại Việt Nam, khái niệm robot mềm vẫn còn mới mẻ và thiếu nghiên cứu sâu Đặc biệt, việc phát triển robot hoạt động trong môi trường nước, nhất là khả năng di chuyển trên mặt nước, đang đối mặt với nhiều thách thức về cơ học và điện tử Chính vì vậy, nhóm nghiên cứu đã quyết định chọn đề tài: “Thiết kế và phát triển robot mềm cho môi trường nước”.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Đề tài này đóng góp vào nghiên cứu và phát triển robot mềm, một lĩnh vực ngày càng quan trọng trong ngành robot học Nó giới thiệu thiết kế mới cho robot mềm có khả năng di chuyển trên mặt nước, giải quyết các vấn đề mà robot cứng gặp phải trong môi trường này Nghiên cứu chuyển động của robot trên mặt nước cung cấp thông tin quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất và tăng cường khả năng linh hoạt cho các thiết kế tương lai Đề tài cũng giúp nâng cao nhận thức về hiệu quả và tiềm năng phát triển lớn của lĩnh vực robot mềm tại Việt Nam.
Việc áp dụng robot trong khảo sát và nghiên cứu môi trường nước đang gặp nhiều thách thức về cơ học, đặc biệt đối với robot cứng.
Robot mềm có khả năng bơi trên mặt nước đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu và giám sát môi trường nước Chúng giúp theo dõi chất lượng nước, đánh giá tình hình môi trường và phát hiện sớm các vấn đề liên quan đến ô nhiễm Việc sử dụng robot này sẽ nâng cao hiệu quả trong việc bảo vệ và quản lý nguồn nước.
Mục tiêu nghiên cứu
Đề tài này nhằm chế tạo một robot mềm có khả năng di chuyển trên mặt nước, tạo nền tảng cho các ứng dụng cụ thể như khảo sát đường ống nước thải Các mục tiêu cụ thể được đặt ra bao gồm việc phát triển công nghệ và cải thiện hiệu suất di chuyển của robot.
- Thiết kế, mô phỏng, gia công và thực nghiệm phần thân robot
- Thiết kế, mô phỏng và thực nghiệm bộ truyền động vỗ cánh mềm
- Xây dựng bộ điều khiển cho robot mềm
- Kiểm nghiệm chuyển động thực tế
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng kết hợp các phương pháp sau đây :
- Phương pháp phân tích tổng hợp: tổng hợp, so sánh dựa trên các thiết kế, vật liệu từ các nghiên cứu trước đó để phát triển
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết trong lĩnh vực robot mềm bao gồm việc khảo sát các lý thuyết cơ bản về robot mềm, đặc biệt là những loại hoạt động trong môi trường nước Nghiên cứu cũng tập trung vào giải phẫu và chuyển động của chim cũng như các loài động vật di chuyển trên mặt nước Bên cạnh đó, việc tìm hiểu các đặc tính năng lượng liên quan đến khả năng di chuyển của robot mềm và đặc trưng cơ tính của nhóm vật liệu đàn hồi nhằm xác định vật liệu phù hợp là rất quan trọng.
Phương pháp mô phỏng sử dụng phần tử hữu hạn nhằm kiểm nghiệm và đánh giá thiết kế đề xuất Bằng cách so sánh kết quả thu được, chúng ta có thể đánh giá hiệu quả của các thiết kế khác nhau.
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: tiến hành chế tạo thực nghiệm để so sánh với các kết quả mô phỏng
Bố cục đề tài
Đề tài nghiên cứu được xây dựng dựa trên các yếu tố quan trọng như tính cấp thiết của vấn đề, ý nghĩa khoa học và thực tiễn, mục tiêu nghiên cứu rõ ràng, đối tượng và phạm vi nghiên cứu cụ thể, cùng với các phương pháp nghiên cứu phù hợp nhằm phát triển nội dung đề tài một cách hiệu quả.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quan về robot mềm
Trong những năm gần đây, robot mềm đã trở thành một trong những lĩnh vực phát triển nhanh nhất trong ngành robot, với khả năng tương tác an toàn với con người và môi trường Robot mềm được thiết kế từ các vật liệu linh hoạt, cho phép chúng thích ứng với các môi trường phức tạp và phi cấu trúc Những robot này mô phỏng tính linh hoạt của sinh vật sống, giúp chúng di chuyển qua không gian hẹp và thực hiện các chức năng sinh học Với trọng lượng nhẹ và bề mặt tiếp xúc mềm mại, robot mềm phù hợp hơn cho các ứng dụng như chân tay giả, so với hệ thống robot truyền động truyền thống chỉ có thể di chuyển theo một hướng Các vật liệu robot mềm có khả năng uốn cong, xoắn và kéo dài, tạo ra nhiều chuyển động hữu ích khi tương tác với cơ thể con người.
Robot mềm, hay còn gọi là robot lấy cảm hứng sinh học, có khả năng di chuyển hiệu quả trong môi trường phức tạp nhờ vào cấu trúc mềm dẻo Chẳng hạn, bạch tuộc có thể uốn cong và co giãn để chui qua các khe hẹp hoặc vượt qua chướng ngại vật Các cấu trúc mềm này có tính linh hoạt tự nhiên, cho phép chịu đựng biến dạng lớn mà không bị hư hại, điều mà robot truyền thống với vật liệu cứng không thể làm được Các kỹ sư robot đã lấy cảm hứng từ khả năng của động vật để tích hợp công nghệ mềm vào thiết kế của họ Shepherd, điều hành Phòng thí nghiệm Robot Hữu cơ tại Đại học Cornell, nhấn mạnh tầm quan trọng của việc sử dụng sự thích nghi tổng hợp từ sinh lý học tự nhiên để nâng cao chức năng và tự động hóa của máy móc.
Ví dụ, chúng ta có thể bóp một quả bơ để kiểm tra độ chín mà không nghiền nát nó nếu nó
Robot mềm có khả năng cảm nhận và tương tác với môi trường một cách linh hoạt hơn so với robot cứng, nhờ vào vật liệu dẻo dai giúp chúng không chỉ chịu được tác động mà còn thực hiện các nhiệm vụ phức tạp mà không gây hư hại cho đồ vật như quả trứng Khi thiết kế robot mềm, cần cân nhắc nhiều yếu tố như trọng lượng, chi phí, và độ bền, nhằm tối ưu hóa vị trí của các bộ kích hoạt và cảm biến để đảm bảo an toàn và hiệu suất Khái niệm tính toán hình thái học cho phép robot mềm tự điều chỉnh chức năng mà không cần điều khiển chi tiết từng bộ phận, tương tự như cách động vật điều chỉnh cơ bắp để thích nghi với môi trường Việc tích hợp tính toán hình thái học không chỉ giảm khối lượng tính toán mà còn nâng cao tính linh hoạt và hiệu quả trong các tác vụ tương tác, giúp robot mềm hoạt động một cách tự nhiên và hiệu quả hơn.
Nghiên cứu trong lĩnh vực robot mềm chủ yếu nhằm phát triển các co-robot thân thiện với con người, phục vụ cho tương tác vật lý giữa người và máy Các ứng dụng bao gồm thiết bị hỗ trợ cầm nắm bằng khí nén và dụng cụ hỗ trợ tay McKibben, cùng với cánh tay robot công nghiệp Rubbertuator Vào thời điểm đó, hầu hết các robot học dựa trên việc mô hình hóa con người hoặc động vật, hoặc cải thiện tính linh hoạt và đa chức năng của các hệ thống cơ học, nhằm nâng cao khả năng và tính tự chủ.
Hình 2.1 Các thiết kế ban đầu về robot mềm (A) Sơ đồ cơ nhân tạo Mckibben[1] (B) Cánh tay robot
Trong thập kỷ qua, robot mềm đã có những bước tiến đáng kể, đặc biệt là robot mềm lấy cảm hứng từ sinh học, mở ra cơ hội mới cho việc phát triển các thiết bị và máy móc kỹ thuật Những công cụ này giúp tạo ra sự tương tác liền mạch giữa con người, robot và thế giới tự nhiên Các ứng dụng hứa hẹn của robot mềm này bao gồm chăm sóc sức khỏe, chiến lược di chuyển và cứu trợ thảm họa, đặc biệt là những ứng dụng tương thích với nhu cầu xã hội Động vật không xương sống như giun đất và sao biển đã trở thành nguồn cảm hứng cho các thiết kế robot mềm, trong khi mực và bạch tuộc với các chuyển động phức tạp cung cấp ý tưởng cho những tay gắp mềm, cho phép chúng di chuyển dễ dàng trong môi trường nước và qua các khe hẹp.
Robot mềm đang trở thành một trong những lĩnh vực phát triển nhanh nhất nhờ vào cảm hứng thiết kế đa dạng và những ưu điểm nổi bật mà nó mang lại TentacleGripper, một thiết bị robot mềm do công ty Festo phát triển, được lấy cảm hứng từ xúc tu của bạch tuộc Thiết kế của nó giống như một xúc tu dài, hoạt động dựa trên khí nén để điều khiển các phần của xúc tu, cho phép uốn cong và nắm bắt các vật thể một cách an toàn và chắc chắn.
Hình 2.2 TentacleGripper (A) Cấu trúc được lấy cảm hứng từ xúc tu bạch tuộc [12] (B) Khả năng tương tác và cầm nằm của TentacleGripper [12]
Vine Robot là một robot mềm được phát triển bởi các nhà nghiên cứu tại Đại học Stanford
Robot dây leo, lấy cảm hứng từ sự phát triển của dây leo thực vật trong tự nhiên, có cấu trúc mềm mại và khả năng kéo dài như một ống có thể phồng lên và thu lại Di chuyển bằng cách "phình ra" từ đầu, robot này được điều khiển bằng cách bơm khí hoặc chất lỏng vào bên trong, cho phép nó di chuyển linh hoạt qua các bề mặt khác nhau như keo dính, bề mặt có đinh nhọn và thậm chí là lửa Với khả năng này, robot dây leo được xem là một ứng viên tiềm năng cho các nghiên cứu và hoạt động thăm dò, cứu hộ trong các hang động.
Hình 2.3 Vine robot cho thấy khả năng di chuyển linh hoạt qua nhiều môi trường khác nhau [13]
Sofi là một dự án nghiên cứu nhằm phát triển và thử nghiệm cá robot mềm, có khả năng khám phá đời sống dưới nước Cá robot này hoạt động ở độ sâu từ 0 đến 18 mét, di chuyển tự nhiên theo ba chiều và được trang bị camera để ghi lại liên tục hoạt động dưới nước Với hình dạng và chuyển động giống cá thật, Sofi giúp hòa nhập vào môi trường tự nhiên, mang lại kết quả nghiên cứu thực tế hơn.
Hình 2.4 Robot dạng cá Sofi [14]
Như vậy có thể thấy, robot mềm mang lại nhiều cơ hội đột phá trong các lĩnh vực như y tế, công nghiệp, nông nghiệp và khám phá dưới nước.
Các robot mềm bơi trên mặt nước
2.2.1 Sự phát triển của robot mềm hoạt động trong môi trường nước
Robot mềm có khả năng biến dạng vượt trội và thích ứng với môi trường nước, giúp khắc phục những hạn chế của robot cứng truyền thống Chúng hoạt động hiệu quả cả bên trong và trên mặt nước, với điều khiển đơn giản Sự phát triển của robot mềm trong môi trường nước tích hợp nhiều nguyên tắc từ vật liệu, khoa học và kỹ thuật điều khiển đến cơ học chất lỏng, nhằm khám phá công nghệ tiên tiến trong chế tạo robot Gần đây, nghiên cứu đa ngành đã thúc đẩy sự phát triển không ngừng của robot mềm dưới nước, bao gồm các mô hình bắt chước cá, bạch tuộc và rùa, cho phép chúng hoạt động hiệu quả hơn nhờ vào sự tuân thủ sinh học Thiên nhiên chính là nguồn cảm hứng lớn nhất cho thiết kế chức năng của robot, mang lại khả năng thực hiện nhiệm vụ an toàn và chính xác trong môi trường biển phức tạp.
Từ những năm 2000 đến 2023, robot mềm dưới nước lấy cảm hứng từ sinh học đã chứng kiến sự chuyển đổi đáng kể, từ các chức năng đơn giản sang khả năng toàn diện trong môi trường phi cấu trúc Sự phát triển này cho thấy robot mềm không chỉ dừng lại ở chức năng truyền động đơn giản mà còn mở rộng sang các khả năng phức tạp như di chuyển dưới nước, vận hành, cảm biến môi trường và chuyển đổi linh hoạt giữa các chế độ đa chuyển động Công nghệ robot mềm ngày càng kết hợp hiệu quả với vật liệu mềm, dẫn đến các cơ chế tốt hơn và đơn giản hơn trong thiết kế và hoạt động.
Hình 2.5 Tóm tắt các thiết kế nổi bật cho robot mềm hoạt động trong môi trường nước lấy cảm hứng từ sinh học trong giai đoạn 2000-2023 [3]
2.2.2 Một số robot mềm bơi trên mặt nước
Robot mềm bơi trên mặt nước là một loại robot linh hoạt, có khả năng thích ứng với các biến đổi bất ngờ Các robot này tập trung vào việc tối ưu hóa cấu trúc, khối lượng và kích thước để đảm bảo khả năng nổi, đồng thời chịu tác động từ không khí Thiết kế của chúng thường lấy cảm hứng từ các sinh vật như nhện nước, cá đuối, chim và côn trùng, cũng như động tác bơi bướm của con người Đặc biệt, chuyển động bơi của con người được xem là một ý tưởng hiệu quả, vì nó tương tự với cách di chuyển của robot trên mặt nước Mục tiêu chính của các robot này là tạo ra lực đẩy tại bề mặt nước, giúp chúng dễ dàng di chuyển.
Octobot là robot mềm đầu tiên do các nhà nghiên cứu tại Đại học Harvard phát triển, không có bộ phận cứng và sử dụng bộ truyền động mềm Lấy cảm hứng từ bạch tuộc, Octobot được chế tạo từ silicon và sử dụng bộ truyền động khí nén để di chuyển Thân robot được in 3D từ chất đàn hồi silicon, mang lại sự linh hoạt cho các chuyển động phức tạp Thay vì sử dụng mạch điện tử cứng, Octobot kiểm soát bộ truyền động qua hệ thống vi lỏng, với bộ truyền động được kích hoạt bằng phản ứng hóa học giữa hydrogen peroxide và chất xúc tác, tạo ra khí oxy để làm phồng và tạo ra chuyển động.
Hình 2.6 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của Octobot (A) Cấu trúc của Octobot, (B) Nguyên lý hoạt động [4]
Arthrobot được phát triển dựa trên cấu trúc khớp nối và chuyển động của động vật chân đốt như nhện, cua và côn trùng Những sinh vật này sở hữu khung xương ngoài và khớp nối linh hoạt, giúp chúng di chuyển hiệu quả và thích nghi với môi trường.
Arthrobot di chuyển giống như một con nhện nước, sử dụng lực đẩy từ chân để lướt trên mặt nước Với sự kết hợp giữa linh hoạt cơ học, cấu trúc nhẹ và thiết kế giá rẻ có thể mở rộng, Arthrobot dễ dàng chế tạo và an toàn khi tiếp xúc với con người Bộ xương ngoài được làm từ các ống polymer hữu cơ mỏng giúp nó nổi trên mặt nước, trong khi các khớp khí nén mô phỏng khớp của nhện cung cấp sự kích hoạt và linh hoạt cần thiết Hình 2.7 mô tả giải phẫu của khớp nhện, từ đó phác thảo thiết kế sơ khai của khớp mềm linh hoạt, nhẹ và đơn giản.
Hình 2.7 Cấu trúc khớp nhện, thiết kế và chế tạo về khớp mềm dựa trên khớp nhện [15]
Dựa trên thành công trong việc chế tạo khớp nối mềm linh hoạt giống như nhện, các kỹ sư đã phát triển Arthrobots với độ linh hoạt cao Sự kết hợp của nhiều khớp nối mềm không chỉ tạo ra chuyển động tịnh tiến mà còn mở rộng khả năng vận động của thiết bị.
Arthrobots là những robot có thiết kế giống như nhện nước, sở hữu 6 chân, trong đó 4 chân được mở rộng ra bốn góc giúp duy trì thăng bằng và nổi trên mặt nước Hai chân còn lại có khả năng xoay và co duỗi, tạo điều kiện thuận lợi cho Arthrobots trong việc di chuyển một cách linh hoạt.
Hình 2.8 Cấu trúc và cách di chuyển của Arthrobots [15]
DraBot là một robot mềm lấy cảm hứng từ chuồn chuồn, có khả năng di chuyển lâu dài trên bề mặt nước và thích nghi với môi trường Robot này sử dụng các bộ kích hoạt mềm và vật liệu phản ứng để tạo ra một mạch logic khí nén, cho phép điều khiển theo ý muốn của người dùng và phản ứng với các yếu tố môi trường như pH và nhiệt độ DraBot có khả năng phát hiện và làm sạch hóa chất, mở ra tiềm năng cho các ứng dụng trong thăm dò, khắc phục môi trường và chăm sóc sức khỏe Việc điều chỉnh áp suất không khí vào các cánh giúp nó kiểm soát chuyển động và hướng đi, với không khí được dẫn vào cánh trước và thoát ra qua các lỗ nhỏ ở cánh sau.
DraBot hoạt động dựa trên nguyên lý luồng không khí để tạo ra lực đẩy Khi hai cánh sau hạ xuống, luồng không khí từ cánh trước bị chặn, khiến DraBot đứng im Ngược lại, khi hai cánh sau nâng lên, luồng không khí không bị cản trở, tạo ra lực đẩy và giúp DraBot di chuyển về phía trước.
Hình 2.9 Sơ đồ mô tả cấu tạo cánh và các trạng thái khi robot nghỉ, đi thẳng, rẽ hướng [16]
Một cải tiến mới trong robot DraBot là việc sử dụng hydrogel tự phục hồi trên cánh, nhạy cảm với sự thay đổi độ pH của nước Khi pH trở nên axit, hydrogel khiến cánh trước và cánh sau của DraBot kết dính lại, gây mất cân bằng và khiến robot quay vòng thay vì di chuyển thẳng Khi độ pH trở lại bình thường, hydrogel ngừng kết dính, giúp cánh phục hồi khả năng phản ứng với điều khiển khí nén Ngoài ra, các nhà nghiên cứu đã tích hợp miếng bọt biển dưới cánh, cho phép chúng thấm dầu và đổi màu tương ứng khi DraBot lướt trên mặt nước có dầu Khi nhiệt độ nước tăng, cánh của DraBot sẽ chuyển màu từ đỏ sang vàng.
Hình 2.10 DraBot phản ứng với môi trường [16]
Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của robot mềm
Việc lựa chọn yếu tố truyền động là bước quan trọng nhất trong thiết kế robot mềm, ảnh hưởng đến kích thước, trọng lượng và hiệu suất của robot Sự phát triển của robot mềm phụ thuộc vào tiến bộ trong các khái niệm truyền động, bao gồm việc chuyển đổi các tác nhân kích thích như hóa chất, khí, và chất lỏng thành đầu ra cơ học Các tác nhân này có thể gây ra sự mở rộng hoặc co giãn tùy thuộc vào cấu trúc và định hướng, hoặc được áp dụng trực tiếp thông qua nhiệt, ánh sáng, trường điện, hoặc trường từ.
Các bộ truyền động cho robot mềm được phân chia thành hai loại chính: bộ kích hoạt bên ngoài, không phải là một phần của hệ thống robot, và bộ kích hoạt tích hợp, được tích hợp sẵn và là một phần thiết yếu trong cấu trúc cơ khí chứa các thành phần kích hoạt.
Truyền động khí nén, thủy lực và motor điện là những dạng bộ kích hoạt bên ngoài, trong khi các công nghệ như electroactive polymers, dielectric elastomers, hydrogel và shape memory alloys thuộc về bộ kích hoạt tích hợp Bộ kích hoạt bên ngoài thường có kích thước lớn, tốc độ cao và đầu ra cơ học mạnh mẽ, ngược lại, các bộ truyền động tích hợp có tốc độ chậm hơn và đầu ra cơ học nhỏ hơn Các giải pháp truyền động khí nén và thủy lực ngày càng trở nên phổ biến trong lĩnh vực bộ truyền động mềm.
Các kỹ sư đã chứng minh hiệu quả của việc kích hoạt điện cho robot mềm thông qua việc sử dụng dielectric elastomers Họ cũng đang nghiên cứu các phương pháp khác Đặc biệt, robot mềm điều khiển bằng điện có thể không đạt được tính hữu ích như robot mềm thích ứng điều khiển bằng khí nén.
Các phương pháp sử dụng DE yêu cầu điện áp hoạt động cao hơn 500V, trong khi các nỗ lực sử dụng hóa học để cung cấp năng lượng cho robot mềm vẫn chưa mang lại hiệu quả cao Truyền động khí nén đã chứng minh sự đơn giản trong triển khai và vẫn là lựa chọn tốt nhất cho đến nay Các actuator khí nén mềm mang lại nhiều lợi thế như tiếp xúc mềm mại, tính tuân thủ tốt, trọng lượng nhẹ, mật độ công suất cao, chi phí thấp và dễ sản xuất thông qua các kỹ thuật như đúc khuôn hoặc in 3D.
Một trong những thách thức lớn của robot mềm là tốc độ hành động chậm Để phát triển kiến trúc có khả năng tái cấu hình nhanh chóng, các nhà nghiên cứu đã khai thác trạng thái không ổn định của vật liệu đàn hồi Các hiện tượng không ổn định trong hệ thống đàn hồi như Buckling, Wrinkling và hành vi snap-through đóng vai trò quan trọng trong quá trình này Buckling xảy ra khi cấu trúc dẻo bị uốn cong do tải trọng vượt quá giới hạn, dẫn đến mất ổn định Wrinkling là sự xuất hiện của các nếp gấp trên bề mặt vật liệu dẻo do tác động cơ học, thường do căng thẳng hoặc biến dạng không đồng đều Cuối cùng, hành vi snap-through là hiện tượng mà cấu trúc dẻo chuyển từ trạng thái ổn định sang không ổn định một cách nhanh chóng khi bị kích thích bên ngoài.
Hình 2.11 Minh họa cho các hiện tượng Bucking, Snap-through [10]
Hành vi snap-through trong các cấu trúc hai hoặc nhiều trạng thái cân bằng là cần thiết để đạt được sự thay đổi hình dạng nhanh chóng, cung cấp phản hồi nhanh và tiết kiệm năng lượng cho các mục tiêu thiết kế Nghiên cứu về khả năng tạo ra chuyển động từ các hình thái không ổn định của vật liệu cho thấy hiệu quả cao Một cấu trúc mạng lưới khí nén, được gọi là PneuNets, được tạo thành từ vật liệu mềm và đàn hồi, cho phép các dòng khí có áp suất di chuyển qua các kênh và buồng Khi các buồng này được điều áp, chúng tạo ra ứng suất bên trong vật liệu, dẫn đến biến dạng và tạo điều kiện cho chuyển động của bộ truyền động Chuyển động này được kiểm soát thông qua việc sửa đổi hình dạng của các buồng khí và tính chất vật liệu Nếu robot sử dụng chất đàn hồi đồng nhất, sự giãn nở sẽ tập trung ở các cấu trúc mỏng nhất, làm cho chuyển động phụ thuộc vào hình dạng của mạch vi lỏng Tuy nhiên, việc sử dụng các vật liệu có đặc tính đàn hồi khác nhau có thể cải thiện khả năng kiểm soát đặc tính của bộ truyền động.
Hình 2.12 minh họa cách đạt được sự uốn cong một chiều trong PneuNets [19]
Bộ truyền động bao gồm hai lớp, một lớp mở rộng và một lớp không mở rộng, cả hai có kích thước ban đầu giống nhau Khi chịu áp lực, bề mặt trên biến dạng, tạo ra sự uốn cong và chuyển động uốn lượn giống như thân cá Các kỹ thuật điều khiển chuyển động cho phép sử dụng một chất đàn hồi duy nhất, trong khi lớp ràng buộc có thể chứa sợi, giấy hoặc màng nhựa, giúp tạo ra đặc tính không thể mở rộng cần thiết cho bộ truyền động.
Vật liệu và đặc trưng cơ tính của vật liệu
So với robot cứng, robot mềm dưới nước chủ yếu được chế tạo từ các vật liệu mềm hoặc co giãn như cao su silicone, cho phép biến dạng và hấp thụ năng lượng va chạm Các vật liệu elastomeric là lựa chọn chính, nhờ vào đặc tính chịu nhiệt, chống hóa chất, cơ học và điện học xuất sắc, cùng với tính tương thích sinh học cao.
Trong môi trường nhiệt độ cao, vật liệu cần có mức độ đàn hồi, độ co dãn và độ cứng bề mặt nhất định mà không thay đổi đáng kể về tính chất cơ học Gần đây, các kỹ thuật chế tạo vật liệu thông minh như IPMC, SMAs, SMPs, PZT, DE và LCEs đã phát triển nhanh chóng, mang lại hiệu suất cao và tính linh hoạt cho lĩnh vực robot học Các cơ cấu cơ động của robot mềm hiện tại thường được thiết kế dựa trên những nguyên lý khác nhau và sử dụng các vật liệu mềm khác nhau, dẫn đến sự khác biệt về đặc tính và hiệu suất cơ động.
“Vật liệu là bộ điều khiển” là khái niệm nổi bật trong nghiên cứu robot mềm, phân biệt với robot cứng, vốn phụ thuộc vào hệ thống cảm biến và bộ điều khiển Robot cứng, như cơ cấu kẹp, sử dụng cảm biến để thu thập dữ liệu áp suất hoặc lực, từ đó tính toán lực cần thiết để đảm bảo độ bám mà không gây hư hỏng Tuy nhiên, hạn chế lớn của chúng là chỉ hoạt động với các vật thể đã được lập trình sẵn, dẫn đến thiếu linh hoạt và an toàn Ngược lại, robot mềm nhờ vào tính chất của vật liệu có khả năng tự động thích ứng với bề mặt phức tạp và phân phối lực một cách tối ưu Việc vật liệu kiểm soát áp suất giúp cho quá trình điều khiển trở nên đơn giản và an toàn hơn khi làm việc với các vật thể phức tạp và dễ vỡ.
Vật liệu đàn hồi và siêu đàn hồi là công nghệ cốt lõi trong phát triển robot mềm bơi trên mặt nước Khác với vật liệu cứng, nơi biến dạng thường dẫn đến hư hỏng, vật liệu mềm cho phép cơ chế truyền động hữu ích nhờ vào đặc tính đàn hồi và hiện tượng “snap-through”, giúp robot thực hiện các chuyển động linh hoạt Tuy nhiên, các bộ truyền động khí nén có thể gặp vấn đề với biến dạng cao, dẫn đến vết nứt vi mô và suy giảm đặc tính cơ học theo thời gian, hiện tượng này được gọi là Fatigued Quản lý hiện tượng này là rất quan trọng để đảm bảo độ bền và an toàn của robot mềm Do đó, việc lựa chọn vật liệu phù hợp với thiết kế và áp suất đầu vào là yếu tố cốt lõi để đánh giá khả năng hoạt động của robot mềm bơi trên mặt nước.
Khả năng đàn hồi của bộ truyền động robot mềm là yếu tố then chốt trong việc tối ưu hóa hiệu suất và linh hoạt của robot Vật liệu có độ đàn hồi cao yêu cầu ít năng lượng đầu vào để tạo ra biến dạng mong muốn, giúp cải thiện hiệu suất hoạt động Hơn nữa, khả năng đàn hồi cao còn tăng cường độ bền của robot, nhờ vào khả năng hấp thụ tác động từ va chạm Độ bền kéo của vật liệu cũng rất quan trọng, đảm bảo tính ổn định và độ bền trong quá trình hoạt động của robot mềm.
- Độ cứng : Độ cứng của vật liệu sẽ ảnh hưởng đến độ linh hoạt của robot và khả năng chịu được các tác động từ môi trường bên ngoài
Khả năng nổi và chống nước của vật liệu là yếu tố quyết định sự ổn định của robot trên mặt nước Vật liệu nhẹ giúp robot duy trì sự nổi mà không gặp vấn đề về trọng lượng, trong khi khả năng chống nước bảo vệ các thiết bị điện tử và nguồn năng lượng bên trong Điều này nâng cao khả năng tự chủ của robot, giảm thiểu sự phụ thuộc vào các đường ống dẫn khí hoặc điện.
Phương pháp mô phỏng
Ansys, được phát triển từ năm 1970 bởi Dr John Swanson, là phần mềm toàn diện hỗ trợ mô hình hóa và phân tích kỹ thuật trong nhiều lĩnh vực vật lý Phần mềm này giúp giải quyết các vấn đề kỹ thuật kết cấu phức tạp, từ đó đưa ra quyết định thiết kế nhanh chóng và hiệu quả hơn Với công cụ phân tích phần tử hữu hạn (FEA), Ansys cho phép chia cấu trúc thành các phần tử nhỏ để tính toán gần đúng chuyển vị và ứng suất dưới tác động của tải Các phần tử hữu hạn được tạo ra từ việc kết nối các nút với lưới, bao gồm ba loại: phần tử dầm, phần tử tấm và phần tử ba chiều, thường được sử dụng trong thiết kế sản phẩm phức tạp Phương pháp này có khả năng phân tích các hình dạng và vật liệu đa dạng, từ kim loại đến nhựa, cùng với các tính chất vật liệu như khối lượng riêng, độ đàn hồi và độ cứng.
Hình 2.13 Phân tích ứng suất của một loại robot mềm
Robot mềm có cấu trúc và tính toán phức tạp, không có công thức chung áp dụng cho tất cả Việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong Ansys là cần thiết để phân tích và tiết kiệm thời gian Do đặc tính cơ lý của vật liệu silicon siêu đàn hồi, thiết kế và tính toán robot mềm thường gặp khó khăn trong việc xác định mô hình vật liệu và các thông số cơ tính liên quan Các thông số đầu vào này rất quan trọng cho quá trình mô phỏng Phần mềm Ansys được sử dụng để xác định biến dạng, ứng suất và góc uốn Mỗi bài toán có phương pháp giải khác nhau tùy thuộc vào điều kiện cụ thể, nhưng quy trình giải quyết vẫn có những bước chung và liên kết chặt chẽ với nhau.
Phương pháp chế tạo
2.6.1 Phương pháp đúc khuôn Đúc là phương pháp chế tạo sản phẩm bằng cách rót vật liệu ở dạng chảy lỏng vào khuôn để tạo ra sản phẩm có hình dạng theo khuôn mẫu Ưu điểm:
- Phù hợp cho sản xuất số lượng trung bình hơn so với số lượng thấp
- Tốc độ làm khô nhanh, bề mặt đúc phụ thuộc vào chất lượng khuôn
- Xuất hiện lỗ hỏng, khó được lấp đầy
- Biến dạng thay đổi kích thước do sự co ngót của từng loại vật liệu
Công nghệ in 3D SLA là một phương pháp phổ biến trong nhiều lĩnh vực, sử dụng nhựa quang hóa lỏng để tạo hình từng lớp thông qua việc chiếu chùm tia cực tím Quá trình này giúp nhựa đông đặc nhờ hình thành liên kết giữa các phân tử trong polyme Tất cả vật liệu sử dụng trong công nghệ SLA đều là polyme ở dạng lỏng, mang lại nhiều lợi ích cho ứng dụng trong sản xuất và thiết kế.
- Cho phép chế tạo mô hình đòi hỏi có độ chi tiết cao và phức tạp
- Bề mặt mô hình nhẵn mịn, chất lượng tốt
- Chi phí in công nghệ SLA thường tốn kém
- Sản phẩm cần được xử lý sau chế tạo
- Ánh sáng mặt trời làm giòn và suy giảm chất lượng b, Công nghệ in FDM:
Công nghệ in FDM là quy trình tạo sản phẩm bằng cách đùn sợi nhựa nóng, in từng lớp để hình thành chi tiết 3D Vật liệu chính thường là nhựa in nhiệt dẻo như ABS và PLA Độ rộng đường in phụ thuộc vào kích thước miệng đầu in, và việc phân tích chất lượng bề mặt là cần thiết để chọn đầu in phù hợp Công nghệ này ngày càng phổ biến trong nhiều lĩnh vực nhờ vào sự đa dạng vật liệu và chi phí hợp lý.
- Máy in 3D FDM dễ thay thế và sửa chữa các bộ phận với giá thành thấp, dễ tìm kiếm
- Thời gian tạo sản phẩm tương đối nhanh chóng, phương thức bảo dưỡng, bảo trì tương đối dễ dàng thực hiện
- Ít được sử dụng trong việc lắp ráp bởi độ chính xác của công nghệ FDM không cao, khả năng chịu lực không ổn định
- Độ chính xác của sản phẩm thấp, bề mặt chi tiết in không mịn
- Việc bồi đắp từng lớp có thể dẫn đến cong vênh và co rút nhỏ.
THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG, GIA CÔNG VÀ THỰC NGHIỆM PHẦN THÂN ROBOT
Vai trò của thân robot
Robot mềm bơi trên mặt nước có thân mềm đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp khả năng truyền động và tương tác với môi trường Thiết kế độc đáo của robot cho phép bộ truyền động đồng thời làm thân robot Hiệu suất của bộ truyền động phụ thuộc nhiều vào vật liệu sử dụng, giúp thân robot thể hiện chuyển động và biến dạng liên tục Các chuyển động chính mà robot mềm có thể thực hiện bao gồm giãn dài, uốn cong và xoắn, với trọng tâm là biến dạng uốn cong để tạo ra chuyển động đập cánh Ngoài ra, thân robot còn giúp tạo sự ổn định khi bơi.
Yêu cầu thiết kế của thân robot
Uốn cong là một trong những biến dạng cơ bản của thân robot, thường sử dụng bộ truyền động mềm làm từ vật liệu đàn hồi tác động bằng khí nén Bộ truyền động này gồm hai phần chính: lớp ràng buộc không co giãn, thường được làm từ vải, nhựa hoặc vật liệu cứng, và lớp biến dạng chứa các rãnh khí Khi không khí được bơm vào các rãnh khí này, áp suất bên trong tạo ra ứng suất, dẫn đến sự biến dạng cục bộ Sự kết hợp giữa biến dạng này và tính không co giãn của lớp ràng buộc tạo ra hiện tượng uốn cong cho bộ truyền động mềm.
Hình 3.1 : Khả năng uốn cong của bộ truyền động mềm khi có áp suất tác động
Do sự khác biệt về vật liệu và độ cứng, thân robot có xu hướng uốn cong về phía lớp ràng buộc khi biến dạng Sự biến dạng này có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi kích thước của các rãnh khí, nơi giãn nở dễ xảy ra tại vị trí mỏng hơn Để tạo hiệu ứng đập cánh, cần thêm một lớp biến dạng ở phía đối diện Nếu áp suất tác động lên hai lớp biến dạng cùng lúc, chỉ tạo ra biến dạng co giãn cho thân robot Tuy nhiên, nếu tác động lần lượt giữa hai lớp, sẽ tạo ra sự uốn cong liên tục theo hai hướng.
Hình 3.2 Bộ truyền động mềm uốn cong hai chiều
Các phương án thiết kế phần thân
Nhóm đã tham khảo thiết kế thân robot từ bài báo khoa học [21] để nghiên cứu và khảo sát các thông số, nhằm tìm ra thiết kế phù hợp Mục tiêu là tạo ra được góc uốn lớn trong khi vẫn đảm bảo độ bền cần thiết cho thân robot.
Hình 3.3 Cấu tạo chính của thân robot mềm
3.3.1 Phương pháp mô phỏng khảo sát thông số thiết kế
Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong phần mềm Ansys để khảo sát thông số thiết kế, tiến hành các bước như sau:
Kết quả phân tích bài toán phụ thuộc vào loại vật liệu, do đó việc xác lập chính xác các thông số vật lý như mô đun đàn hồi và hệ số Poisson là điều kiện cần thiết để phân tích kết cấu một cách chính xác Để bắt đầu, nhấp đúp chuột vào Engineering Data để mở thư viện vật liệu của phần mềm, sau đó lựa chọn vật liệu từ thư viện và thiết lập các thông số vật lý phù hợp với yêu cầu của bài toán.
Sau khi lựa chọn vật liệu cần thiết cho bài toán, bạn cần gán vật liệu cho từng bộ phận bằng cách thao tác với thư mục Model\ Geometry trong môi trường Mechanical, như đã thực hiện ở bước 3: Model.
Hình 3.5 Gán vật liệu cho từng bộ phận
Ansys cung cấp tính năng nhập mô hình từ các phần mềm đồ họa khác như Solidworks và AutoCAD, giúp người dùng tiết kiệm thời gian và công sức Để nhập mô hình, người dùng chỉ cần nhấp chuột phải vào ô Geometry, chọn Import Geometry, sau đó Browse để tìm kiếm mô hình cần nhập.
Sau khi hoàn thành mô hình hình học, bước tiếp theo là chia lưới cho mô hình để phần mềm có thể thực hiện phân tích trên từng phần tử, từ đó đưa ra kết quả chính xác nhất cho bài toán Độ chặt chẽ của lưới và số lượng phần tử càng lớn sẽ tăng độ chính xác của phân tích Để bắt đầu, nhấp đúp vào ô Model, phần mềm sẽ mở ra môi trường Mechanical với bốn vùng chính.
- Thanh công cụ phía trên của hộp thoại Mechanical
- Outline: thứ tự các bước thực hiện bài toán
- Details View: chi tiết cho bước đang thực hiện
- Graphics: nơi mô phỏng bài toán, thể hiện tải, ràng buộc,…
Hình 3.7 Môi trường Mechanical Ở Outline, tiến hành thiết lập mô hình phần tử hữu hạn cho bài toán:
- Geometry: mô tả dạng hình học và thiết lập vật liệu cho từng phần của chi tiết
- Conections: liên kết các phần tử trong mô hình
- Mesh: chia lưới phần tử
Hình 3.8 Chia lưới phần tử
Xác định tải trọng, điểm đặt và ràng buộc của kết cấu là bước quan trọng và khó khăn trong phân tích bằng Ansys Để thực hiện, bạn chỉ cần nhấp chuột phải vào vị trí cần thiết lập trong dòng lệnh Static Structural, sau đó chọn Insert để chèn các yếu tố như tải trọng, lực, ràng buộc vị trí và áp suất.
Hình 3.9 Thiết lập tải và các ràng buộc
Sau khi hoàn tất các bước trước, tiến hành phân tích bài toán với sự hỗ trợ của phần mềm Người dùng chỉ cần chọn kiểu phân tích phù hợp với mục tiêu và chờ phần mềm xử lý Trong phân tích tĩnh, chú trọng vào các yếu tố như biến dạng (Deformation) và ứng suất (Stress).
Hình 3.10 Chọn kiểu phân tích và biểu diễn kết quả
Sau khi chọn kiểu phân tích và đưa ra kết quả cho bài toán, tiến hành xử lý bằng phần mềm Kết quả phân tích tại bước Solution sẽ được hiển thị trong phần Result Khi chọn bất kỳ dòng nào trong Solution, chẳng hạn như Total Deformation hay Equivalent Stress, phần mềm sẽ cung cấp kết quả phân tích kèm theo hình ảnh trực quan.
3.3.2 Các phương án thiết kế thân robot
‑ Thiết kế 4x4: thiết kế được tham khảo từ báo cáo [21] theo tỷ lệ 1:3
Hình 3.11 Thông số kích thước của thiết kế 4x4
Mô phỏng thiết kế với áp suất 35kPa cho thấy thiết kế đạt góc uốn khoảng 76 độ, ứng suất cực đại là 0.66MPa và độ dãn dài cực đại là 1.46m/m.
Mô hình có khả năng đạt góc uốn tối đa 180 độ trước khi bị phá hủy, với mức áp suất 41.5 kPa, ứng suất cực đại 2.85 MPa và độ dãn dài tối đa 2.56 m/m (Hình 3.12).
Hình 3.12 Kết quả mô phỏng của thiết kế 4x4
Ngoài thiết kế trên, nhóm đã điều chỉnh thiết kế bằng cách tăng giảm kích thước thành và rãnh khí để tìm ra thiết kế phù hợp nhất
Thiết kế kích thước 6x2 ở áp suất 35kPa cho phép đạt góc uốn khoảng 33 độ, với ứng suất cực đại 0.24MPa và độ dãn dài cực đại 0.95m/m Khi áp suất tăng lên 46.5kPa, mô hình có thể đạt góc uốn tối đa 90 độ, ứng suất cực đại là 1.16MPa và độ dãn dài cực đại lên tới 2.12m/m.
Hình 3.14 Kết quả mô phỏng của thiết kế 6x2
Thiết kế 3x2 ở mức áp suất 35kPa đạt góc uốn 53 độ, với ứng suất cực đại 0.43MPa và độ dãn dài cực đại 1.16mm Khi nâng áp suất lên 41.5kPa, mô hình có thể đạt góc uốn cực đại 130 độ, ứng suất cực đại tăng lên 1.47MPa và độ dãn dài cực đại đạt 2.07m/m.
Hình 3.18 Kết quả mô phỏng của thiết kế 3x2
Thiết kế 2x2 đạt được những thông số ấn tượng ở mức áp suất 35kPa, với góc uốn 62 độ, ứng suất cực đại 0.4MPa và độ dãn dài cực đại 1.17m/m Khi áp suất tăng lên 42.9kPa, mô hình có khả năng đạt góc uốn cực đại khoảng 175 độ, ứng suất cực đại 1.75MPa và độ dãn dài cực đại lên tới 2.17m/m.
Hình 3.20 Kết quả mô phỏng của thiết kế 2x2
Bảng 3.1 Bảng so sánh các thiết kế thành và rãnh:
- Ứng suất cực đại: 0.66 Mpa
- Độ giãn dài: 1.46 m/m Thiết kế 6x2
- Ứng suất cực đại: 0.24 Mpa
- Độ giãn dài: 0.95m/m Thiết kế 3x2
- Ứng suất cực đại: 0.43 Mpa
- Độ giãn dài: 1.16 m/m Thiết kế 2x2
- Ứng suất cực đại: 0.4 Mpa
Kết luận cho thấy rằng các thiết kế có kích thước bề rộng rãnh và khoảng cách giữa các rãnh khí bằng nhau, như thiết kế 4x4 và 2x2, dễ dàng tạo ra biến dạng và đạt góc uốn lớn Tại vị trí dễ bị phá hủy nhất, thiết kế 2x2 có ứng suất 0.4MPa và độ dãn dài 1.1m/m, trong khi thiết kế 4x4 có ứng suất 0.66MPa và độ dãn dài 1.16m/m Điều này cho thấy thiết kế 4x4 dễ bị phá hủy hơn, trong khi thiết kế 2x2 tạo ra biến dạng đều và ổn định hơn.
Hình 3.21 Vị trí thành ngăn cách dễ bị phá hủy
Thiết kế rãnh dẫn khí
Thiết kế 2x2x1 cho thấy hiệu suất ấn tượng ở mức áp suất 35kPa, với góc uốn đạt 57 độ Ứng suất cực đại ghi nhận là 0.24MPa, trong khi độ dãn dài cực đại đạt 1.07mm/mm, đặc biệt tại vị trí thành ngăn cách các rãnh khí, nơi dễ bị phá hủy.
Hình 3.22 Thông số kích thước và kết quả mô phỏng của thiết kế 2x2x1
‑ Thiết kế 2x2x2: Ở mức áp suất 35kPa, thiết kế này đạt được góc uốn 62 0 , ứng suất cực đại là 0.4MPa, độ dãn dài cực đại là 1.17m/m tại vị trí thành
Hình 3.23 Thông số kích thước và kết quả mô phỏng của thiết kế 2x2x2
Gia công thân robot
Thân robot được sản xuất thông qua phương pháp đúc khuôn, yêu cầu chuẩn bị khuôn và vật liệu đúc Khuôn được thiết kế bằng công nghệ in 3D với nhựa PETG, trong khi vật liệu đúc sử dụng silicon rubber RTV, silicon rubber shore 5A và Ecoflex 00-50.
Bước 1: Thiết kế và in 3D khuôn
Khuôn đúc đươc thiết kế trên phần mềm Inventor dựa trên thiết kế phần thân robot Sau đó in khuôn bằng nhựa PETG với kích thước đầu phun 1mm
Hình 3.26 Khuôn được chế tạo bằng phương pháp in 3D
Bước 2: Pha trộn và đổ silicone vào khuôn
Phần thân chính và thân giữa được sản xuất qua quy trình đúc bằng silicon rubber RTV, silicon rubber shore 5A và Ecoflex 00-50 Sau khi đổ vào khuôn, bọt khí được loại bỏ bằng máy sấy nhiệt Để rút ngắn thời gian cô đặc của dung dịch, tiến hành chiếu UV hoặc phơi dưới ánh sáng mặt trời.
Hình 3.27 Đổ silicone lỏng đã pha theo tỷ lệ 1:1 vào khuôn
Bước 3: Kết dính các chi tiết thành thân hoàn chỉnh
Các phần hóa rắn hoàn toàn sau khoảng 3-5 giờ, lấy ra khỏi khuôn và xử lý
Hình 3.28 Hình ảnh phần thân sau khi silicon đông đặc
Hai vật liệu silicon rubber không tự kết dính, vì vậy cần sử dụng keo silicon A500 để liên kết các phần của thân robot Tuy nhiên, keo A500 làm giảm khả năng đàn hồi của vật liệu và có độ kết dính không cao, dẫn đến tình trạng tách lớp khi robot hoạt động ở áp suất cao Để khắc phục, việc thay thế keo A500 bằng Ecoflex 00-50 là giải pháp hiệu quả, vì Ecoflex 00-50 có khả năng kết dính tốt hơn giữa các vật liệu silicon rubber Các mối nối sẽ được phủ một lớp mỏng Ecoflex 00-50 lỏng pha theo tỷ lệ 1:1, giúp dán chặt các phần lại với nhau.
Hình 3.29 Hình ảnh các phần của thân được kết dính với nhau
Cuối cùng sau khi keo đã khô, ba phần được liên kết lại với nhau, phần thân mềm được hoàn thành
Hình 3.30 Thân robot được tạo bằng vật liệu silicon rubber RTV và chất đóng rắn
Thân robot được chế tạo từ vật liệu silicon RTV và chất đóng rắn có độ cứng cao, dẫn đến khả năng biến dạng kém Trong quá trình kiểm tra thực tế với áp suất 90kPa, thân robot vẫn không thể uốn cong.
Hình 3.31 Test thực tế thân robot bằng vật liệu silicon RTV ở mức áp suất 90kPa
Hình 3.32 Thân robot được chế tạo bằng vật liệu silicon rubber shore 5A
Thân robot được chế tạo từ vật liệu silicon shore 5A, có độ cứng thấp và dễ biến dạng Mặc dù vậy, vật liệu này có thể suy giảm đặc tính cơ tính khi hoạt động kéo dài, dẫn đến nguy cơ hỏng hóc cho robot (kết quả kiểm nghiệm được trình bày chi tiết trong mục 3.5).
Hình 3.33 Thân robot được chế tạo bằng vật liệu Ecoflex 00-50
Thân robot được chế tạo từ vật liệu Ecoflex 00-50, có độ cứng thấp và khả năng biến dạng dễ dàng Các kết quả kiểm nghiệm cho thấy đây là vật liệu tối ưu cho thiết kế robot mềm hoạt động trên mặt nước.
THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM BỘ TRUYỀN ĐỘNG VỖ CÁNH MỀM
Vai trò của cánh robot
Lấy cảm hứng từ chuyển động vỗ cánh, các loài bay và bơi như chim, côn trùng và động vật biển đã phát triển phương thức di chuyển nhanh và tiết kiệm năng lượng Trong thiết kế robot, phần cánh đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi năng lượng của bộ truyền động, tạo ra lực đẩy cần thiết để robot có thể di chuyển và thay đổi hướng hiệu quả.
Yêu cầu thiết kế của cánh robot
Robot mềm mô phỏng sinh học dưới nước cần vượt qua sức cản lớn hơn so với trên mặt đất và trên không Để giải quyết thách thức này, hiện tượng búng (snapping) được khai thác, cho phép chuyển đổi nhanh giữa các trạng thái ổn định Năng lượng giải phóng trong quá trình búng tạo ra chuyển động vỗ cánh nhanh và khuếch đại năng lượng Do đó, thiết kế cánh phải đáp ứng một số yêu cầu cụ thể để tối ưu hóa hiệu suất.
Thiết kế tạo ra năng lượng lưu trữ ổn định nhằm mô phỏng hiện tượng búng, từ đó tạo lực đẩy giúp robot di chuyển.
‑ Có thể thay đổi trạng thái tương ứng với sự uốn cong hai chiều ở phần thân robot
‑ Tạo ra được quỹ đạo vỗ cánh hình số 8 tương tự như cánh chim và mật độ năng lượng biến dạng đàn hồi phù hợp.
Các phương án thiết kế phần cánh
4.3.1 Các phương án thiết kế
Phương án 1: Phương án thiết kế hình chữ H, được công bố trong báo cáo về robot mềm bơi bướm của Jie Yin [21]
Hình 4.1 Thông số kích thước phần cánh robot theo phương án 1
Khung cánh ban đầu có hình dạng phẳng giống chữ H, được tạo thành bằng cách nối hai thanh polyester dài song song với phần thân Việc liên kết hai đầu của thanh nhựa dẫn đến biến dạng uốn cong và xoắn, khiến cánh cong vênh với năng lượng tích trữ Khi tác động lên phần thân, cánh sẽ nhanh chóng chuyển từ trạng thái ổn định ban đầu sang trạng thái ổn định mới, tạo ra chuyển động vỗ cánh.
Hình 4.2 Hoạt động của robot theo thiết kế cánh phương án 1
Nhóm nghiên cứu đã phát triển một mô hình thực tế cho phép tạo ra chuyển động vỗ cánh (Hình 4.3) Tuy nhiên, để robot có khả năng di chuyển trên mặt nước, cần thiết phải trang bị một màng cánh mở rộng, điều này dẫn đến việc robot có kích thước lớn hơn, gây khó khăn trong việc di chuyển.
Hình 4.3 Robot thực tế theo phương án 1
Phương án 2: Phương án thiết kế hình thang làm từ nhựa PP, gồm phần cánh trước, cánh sau và thanh nối với kích thước được mô tả trong hình 4.4
Hình 4.4 Thông số kích thước cánh robot theo phương án 2
Hai phần cánh được kết nối qua thanh nối, tạo ra năng lượng biến dạng tích trữ trên cánh trước do sự uốn cong và xoắn Sự uốn cong hai chiều của thân robot giúp cánh chuyển đổi nhanh chóng giữa hai trạng thái cân bằng, từ đó tạo ra chuyển động vỗ cánh hiệu quả.
Hình 4.5 Hoạt động của robot theo thiết kế cánh phương án 2
Kết quả mô phỏng cho thấy độ dãn dài cực đại đạt 1.17 m/m và ứng suất cực đại là 0.45 MPa Góc uốn của thân robot trước khi chuyển đổi trạng thái cánh nằm trong khoảng 70° đến 90° Biểu đồ mối quan hệ giữa góc uốn và áp suất đầu vào chỉ ra rằng áp suất cần thiết để đạt được hiệu suất tối ưu là 50 kPa.
Hình 4.6 Mặt cắt thân bộ truyền động mềm khi robot hoạt động
Kiểm nghiệm mô hình thực tế cho thấy, thiết kết có khả năng tạo ra chuyển động vỗ cánh trong chu kì 3s với áp suất 50kPa (Hình 4.7)
Hình 4.7 Hình ảnh robot hoạt động trong một chu kì
4.3.2 Kiểm nghiệm quỹ đạo vỗ cánh
Phương pháp nghiên cứu sử dụng kỹ thuật xử lý ảnh và video để thu thập tọa độ điểm đầu cánh trong hai mặt phẳng XY và YZ qua ba chu kỳ, nhằm vẽ đồ thị quỹ đạo Robot được cố định trên giá đỡ và camera được lắp đặt để ghi lại chuyển động với tốc độ 240fps (Hình 4.8).
Hình 4.8 Quay video chuyển động trong mặt phẳng xy và mặt phẳng yz
Sử dụng Deeplabcut để xử lý video thu được, lấy ngẫu nhiên 40 frame và tiến hành đánh dấu điểm cần theo dõi để tạo bộ data train (Hình 4.9)
Hình 4.9 Đánh dấu các điểm đầu cánh trong video bằng Deeplabcut
Tiến hành sử dụng mạng Resnet_101 để train data và xử lý video (Hình 4.10) Kết quả trả về được lưu trữ trong file Excel
Hình 4.10 Khởi tạo mạng Resnet_101 và training data
Hình 4.11 Quỹ đạo vỗ cánh trong mặt phẳng XY
Hình 4.12 Quỹ đạo vỗ cánh trong mặt phẳng YZ
Thiết kế áp dụng hiện tượng búng để tạo ra chuyển động nhanh giữa các trạng thái ổn định, từ đó phát triển chuyển động vỗ cánh Quỹ đạo quan sát trong mặt phẳng YZ hình số 8, mô phỏng chuyển động vỗ cánh của chim (Hình 4.13) Thiết kế này có khả năng tạo ra lực đẩy, giúp robot di chuyển hiệu quả ở áp suất 50kPa.
Hình 4.13 Quỹ đạo vỗ cánh của chim [21]
4.3.3 Thiết kế robot thân đôi
Nguyên lý hoạt động của thiết kế robot đa ổn định cho phép điều hướng hiệu quả thông qua hai bộ truyền động uốn khí nén mềm Những bộ truyền động này được kết nối song song và liên kết bằng khung nhựa PP hình chữ H, tạo thành cấu trúc điều hướng vững chắc Thiết kế này hỗ trợ bốn hình dạng cong ổn định khác nhau ở hai cánh, từ trạng thái ổn định I đến IV, mang lại khả năng linh hoạt và ổn định cho robot trong quá trình di chuyển.
Sự vỗ của bất kỳ cánh nào trong hệ thống có thể được kích hoạt độc lập, cho phép robot chuyển đổi giữa bốn hình dạng ổn định khác nhau Khi một cánh được kích hoạt, nó sẽ phá vỡ biến dạng đối xứng trong cặp cánh, tạo ra sự thay đổi trong cấu trúc Nếu cả hai bộ truyền động mềm được kích hoạt đồng thời, chúng sẽ lật ngược hình dạng cánh, giúp robot có thể điều chỉnh hướng đi Việc tác động độc lập từng cánh hỗ trợ robot trong việc rẽ hướng, trong khi tác động đồng bộ giúp robot di chuyển thẳng.
Hình 4.14 Thiết kế thân đôi
Hình 4.15 Mô phỏng thiết kế thân đôi
Mô hình robot được chế tạo với khung cánh và màng cánh phía trên, cùng với ống cấp khí bằng silicon Màng cánh giúp robot ổn định và nổi trên mặt nước, trong khi ống cấp khí có đường kính trong 1mm và ngoài 3mm, đảm bảo hiệu suất hoạt động tốt.
Hình 4.16 Mô hình robot thân đôi
XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN
Mục đích xây dựng bộ điều khiển
Sau khi hoàn thành thiết kế và chế tạo robot mềm di chuyển trên mặt nước, bước tiếp theo là xây dựng hệ thống điều khiển Nguyên lý hoạt động của robot dựa vào tần số, với chuyển động phụ thuộc vào áp suất khí cấp vào Do đó, nhóm đã phát triển bộ điều khiển để quản lý hai thông số quan trọng: áp suất và tần số khí.
Hình 5.1 Hình chỉ rõ các mặt biến dạng của robot
Để tạo chuyển động bơi thẳng, quy trình cấp khí yêu cầu điều khiển đồng thời hai cánh vỗ theo cùng một hướng Khi đó, khí nén sẽ được đưa vào luân phiên giữa các mặt trên và dưới của hai thân robot, cụ thể là mặt thứ nhất và thứ ba với mặt thứ hai và thứ tư Áp suất cung cấp khí nén trong quy trình này là 42 kPa.
Hình 5.2 Hình ảnh quy trình cấp khí để tạo chuyển động bơi thẳng cho robot
Quy trình cấp khí để tạo chuyển động rẽ trái hoặc phải được thực hiện bằng cách điều khiển độc lập từng cánh Trong mỗi thời điểm, chỉ có một cánh hoạt động, bằng cách ngừng cung cấp khí nén cho một thân và cung cấp khí nén luân phiên cho hai mặt của thân còn lại với áp suất 42kPa.
Hình 5.3 Hình ảnh quy trình cấp khí để tạo chuyển động rẽ phải cho robot
Hình 5.4 Hình ảnh quy trình cấp khí để tạo chuyển động rẽ trái cho robot
Sơ đồ khối bộ điều khiển
Với mục đích và yêu cầu điều khiển đã đề ra, nhóm đã xây dựng được sơ đồ khối bộ điều khiển như sau:
Hình 5.5 Hình ảnh sơ đồ khối bộ điều khiển
Từ sơ đồ khối đã xây dựng, nhóm tiến hành lựa chọn linh kiện phù hợp để xây dựng bộ điều khiển như sau:
Khối van điều áp: đảm bảo áp suất hoạt động thích hợp để cung cấp cho robot
Dựa trên kết quả mô phỏng và thực nghiệm từ chương 3 và chương 4, robot sẽ hoạt động hiệu quả trong khoảng áp suất 40 – 55 kPa Sau quá trình khảo sát, nhóm đã quyết định lựa chọn van điều áp SMC ITV-2031 312L4 để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu cho robot.
▪ Điện áp hoạt động 24V DC
▪ Khoảng áp suất đầu ra: 0.005 – 0,5 MPa
Khối điều áp: điều chỉnh tín hiệu điện áp đầu vào cho van điều áp hoạt động
Khi lựa chọn linh kiện cho van SMC ITV-2031 312L4, cần lưu ý rằng điện áp đầu vào của van này là 0 - 10V Do các vi điều khiển không thể xuất trực tiếp tín hiệu điện áp này, nên cần sử dụng mạch chuyển đổi tín hiệu số từ vi điều khiển sang tín hiệu điện áp để kết nối với van điều áp.
57 lựa chọn Module PWM sang Analog 0 – 10V LM358 để đảm nhận vai trò của khối điều áp
▪ Điện áp hoạt động 12-30V DC
▪ Tần số xung PWM tương thích 1kHz – 3kHz
Hình 5.7 Module PWM sang Analog 0 – 10V
Khối tay cầm điều khiển: điều hướng chuyển động cho robot
Khi lựa chọn linh kiện cho robot, cần đảm bảo rằng nó có khả năng bơi thẳng về phía trước và rẽ trái/phải một cách linh hoạt Để điều hướng các chuyển động này dễ dàng, nhóm đã quyết định sử dụng module Joystick làm tay điều khiển cho robot.
▪ Điện áp hoạt động: 5V DC
▪ Tín hiệu ngõ ra cho mỗi hướng điều khiển là tín hiệu điện 0 – 5V
Khối hiển thị: hiển thị các thông số áp suất và tần số hoạt động của robot
- Lựa chọn linh kiện: để hiện thị hai thông số áp suất và tần số hoạt động của robot, nhóm lựa chọn module màn hình LCD 16x2
▪ Điện áp hoạt động: 5V DC
▪ Tích hợp module I2C để giao tiếp giữa vi điều khiển với LCD
▪ Dạng hiển thị: Ký tự
▪ Hiển thị: 2 dòng, mỗi dòng 16 ký tự
Khối vi điều khiển: điều khiển van điều áp thông qua khối điều áp, điều khiển tần số hoạt động cho robot
Khi lựa chọn linh kiện cho dự án, cần một vi điều khiển có khả năng xuất xung PWM, đọc tín hiệu điện áp từ Joystick và giao tiếp với module màn hình LCD Nhóm đã quyết định chọn vi điều khiển STM32F401CCU6 để thực hiện vai trò khối điều khiển chính.
▪ Điện áp hoạt động 5V DC
▪ Core ARM cortex M4 32 bits, 64KB RAM, ROM 256K
▪ Tích hợp đầy đủ các bộ ADC, I2C, SPI, UART
Hình 5.10 Vi điều khiển STM32F401CCU6
Khối nguồn: cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống hoạt động
Khi lựa chọn linh kiện, van điều áp SMC ITV-2031 312L4 có điện áp hoạt động lớn nhất là 24V, do đó cần phải sử dụng nguồn 24V để đảm bảo hoạt động hiệu quả cho van này.
Mạch điều khiển 2031 312L4 hoạt động ổn định với nguồn điện 24V cho van SMC ITV-2031 312L4 Các linh kiện như vi điều khiển, tay cầm điều khiển và màn hình hiển thị chỉ cần nguồn 5V Nhóm quyết định sử dụng mạch hạ áp từ 24V xuống 5V để cung cấp điện cho các linh kiện này, nhằm tiết kiệm chi phí và không cần thêm bộ nguồn 5V Cuối cùng, nhóm đã lựa chọn khối pin 24V làm nguồn cung cấp cho toàn bộ mạch điều khiển.
▪ Điện áp đầu ra: 22.2V – 25.2V DC
▪ Điện áp sạc vào: 25.2V 1A – 3A DC
▪ Dòng làm việc liên tục: 5A
▪ Loại cell pin sạc Lithium 18650
Lưu đồ giải thuật điều khiển:
Hình 5.12 Hình ảnh lưu đồ giải thuật điều khiển
Hình ảnh thực tế bộ điều khiển:
Hình 5.13 Hình ảnh thực tế hộp điều khiển(Mặt trên)
Hình 5.14 Hình ảnh thực tế hộp điều khiển(Mặt trước)
Hình 5.15 Hình ảnh thực tế hộp điều khiển(Mặt bên)
KIỂM THỬ
Kiểm nghiệm chuyển động của robot
Sau khi hoàn thành việc chế tạo mô hình robot và xây dựng bộ điều khiển, nhóm đã tiến hành kiểm nghiệm khả năng di chuyển của robot, bao gồm bơi thẳng, rẽ trái và rẽ phải trong thực tế Kết quả của các cuộc kiểm nghiệm này được thể hiện qua những hình ảnh dưới đây.
Hình 6.1 Hình ảnh kiểm nghiệm chuyển động bơi thẳng của robot trong thực tế (áp suất 48 KPa, chu kì cấp khí 3s)
Hình 6.2 Hình ảnh kiểm nghiệm chuyển động rẽ phải của robot trong thực tế (áp suất 48 KPa, chu kì cấp khí 3s)
Hình 6.3 Hình ảnh kiểm nghiệm chuyển động rẽ trái của robot trong thực tế (áp suất 48 KPa, chu kì cấp khí 3s)
Robot đã được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu cụ thể, cho phép thực hiện các chuyển động bơi thẳng, rẽ trái và rẽ phải khi hoạt động dưới nước.