Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU ĐÀN HỒI VỚI LỰC ĐẦU RA KHÔNG ĐỔI ỨNG DỤNG TRONG THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI CÁNH TAY MÁY DESIGN OF A CONSTANT FORCE MECHANISM FOR ROBOT END EFFECTOR Phạm Huy Tuâna, Nguyễn Hà Ngọc Hiếub, Lê Minh Nhậtc Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM a phtuan@hcmute.edu.vn; b hieunguyen138@gmail.com; c leminhnhata@yahoo.com TÓM TẮT Điều chỉnh lực trình làm việc thiết bị đầu cuối cánh tay máy thách thức với nhà thiết kế robot Bên cạnh đó, việc phải sử dụng hệ thống cảm biến lực làm cho cấu thêm phức tạp đẩy cao chi phí Cơ cấu đàn hồi với lực đầu không đổi nghiên cứu rộng rãi giới với nhiều hướng ứng dụng Tuy nhiên Việt Nam, công trình nghiên cứu dạng cấu ứng dụng chế tạo robot chưa nhiều Bài báo tập trung nghiên cứu phương pháp thiết kế cấu đàn hồi với lực đầu không đổi tích hợp vào thiết bị đầu cuối cánh tay máy Cơ cấu tận dụng nhiều ưu điểm cấu đàn hồi như: kích thước nhỏ gọn, loại bỏ ma sát mài mòn, giảm chi phí lắp ráp, bảo trì Thiết kế cấu cụ thể hóa dựa sở tối ưu hóa hình dạng đường cong tham số Côsin Bezier giải thuật di truyền Kết đề tài hỗ trợ đẩy mạnh việc ứng dụng cấu đàn hồi thiết kế robot lĩnh vực khác ngành khí tự động hóa Từ khóa: cấu đàn hồi, lực đầu không đổi, tối ưu hóa hình dạng, đường cong Bezier ABSTRACT Force regulation during operation of a robot end-effector is always a challenge for engineers The use of sensor systems makes the mechanism both complicated and cost intensive Compliant constant-force mechanism (CFM) has been widely studied with various applications However, in Vietnam, the study of these structures is not much This paper demonstrates the design methodology for a compliant CFM which could be integrated into a robot end-effector This design takes a lot of advantages from the compliant mechanism: minimization, no friction and abrasion, cost reduction for assembly and maintenance The design process is implemented via a shape optimization scheme using parameter Bezier curves and cosine curves and genetic algorithm The results of the research will facilitate the application of compliant mechanism in robot design and some other fields of automation and mechanical engineering Keywords: Compliant mechanism, constant-force mechanism, shape optimization, Bezier curve GIỚI THIỆU Trong trình sản xuất, đặc biệt lĩnh vực tự động hóa robot, để kiểm soát lực truyền động cánh tay máy thiết bị đầu cuối cần có cảm biến Những hệ thống điều khiển tích hợp vào cấu thường làm tăng chi phí, phức tạp hóa hệ thống, khó bảo trì Để khắc phục nhược điểm này, số tác giả nghiên cứu cấu có lực đầu không đổi (Constant-Force Mechanism, CFM) nhằm cung cấp lực đầu gần không đổi phạm vi chuyển vị đầu vào [1] 79 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình CFM cấu tạo từ lò xo Hình cấu CFM tổng hợp từ ba lò xo bố trí để tạo nên độ cứng âm dương khác CFM có lợi ứng dụng đòi hỏi phải có lực không đổi áp dụng vào trình sản xuất mài, hàn, đánh bóng, lắp ráp Để tạo lực đầu không đổi, Boyle [2] nghiên cứu cấu nén có lực không đổi cách sử dụng lò xo lắp ráp với khớp lề (Hình 2) Tuy nhiên, hoạt động cấu tạo ma sát, mài mòn, giảm hiệu suất, làm tăng khe hở Để khắc phục số nhược điểm Chao-Chieh Lan cộng [3] thiết kế CFM ứng dụng cấu đàn hồi cho cánh tay robot để điều khiển cấu chấp hành qua thay đổi số lực đầu cho phù hợp với sản phẩm khác Trong nghiên cứu đó, tác giả kết hợp cấu song ổn định có độ cứng phi tuyến với lò xo tuyến tính Việc hiệu chỉnh độ nén ban đầu lò xo tuyến tính giúp cấu thay đổi độ lớn lực ổn định Hình CFM sử dụng cấu nén (a) Sơ đồ cấu (b) Thiết kế cụ thể [3] Bài báo mô tả quy trình thiết kế CFM dùng cấu đàn hồi dựa sở đường cong tham số Côsin, Bezier tối ưu hóa giải thuật di truyền để ứng dụng thiết bị đầu cuối cánh tay máy Ứng dụng thiết kế loại bỏ ma sát, giảm số nguyên công lắp ráp, nâng cao hiệu suất hoạt động thiết bị cung cấp lực đầu gần không đổi THIẾT KẾ 2.1 Nguyên lý hoạt động Hình mô hình thiết kế CFM Cơ cấu thiết kế gồm bốn đàn hồi có biên dạng đường cong Côsin tám có biên dạng đường cong Bezier Các đàn hồi làm vật liệu POM (Poly Oxy Methylene) nên có khả tích trữ giải phóng lượng Để thuận tiện cho việc thiết kế mô phỏng, tác giả sử dụng mô hình đối xứng cho thiết kế Khi cho cấu chuyển vị khoảng so với vị trí ban đầu, cấu đàn hồi bị dịch chuyển, đàn hồi bị biến dạng 80 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Thiết kế tác giả mong muốn trượt nhận giá trị lực F, trượt chuyển vị khoảng từ a ÷ c, với khoảng chuyển vị mong muốn từ b ÷ c mà giá trị lực đầu gần không đổi (Hình 4) Vì cấu có cấu tạo nguyên khối nên trượt chuyển vị làm cho đàn hồi bị biến dạng, lệch khỏi vị trí ban đầu tích trữ lượng đàn hồi Khi giảm dần lực tác dụng, tích trữ lượng bên đàn hồi nên cấu dần trở vị trí ban đầu Hình Mô hình CAD CFM Hình Vị trí hoạt động CFM 2.2 Thiết kế Trong thiết kế này, đường cong tham số Côsin Bezier lựa chọn để thiết kế cấu Thứ tự điểm điều khiển đường cong tham số miêu tả Hình Do thiết kế có tính chất đối xứng nên xét nhánh cấu với biến thiết kế h, L, w chiều cao, chiều dài bề rộng đường cong tham số Côsin Các điểm B ui (i=1÷4) tọa độ điểm điều khiển đường cong Bezier phía trên, B li (i=1÷4) tọa độ điểm điều khiển đường cong Bezier phía Trong hai điểm B u1 B l1 trùng trùng gốc tọa độ Điểm gốc giữ cố định suốt trình thiết kế Ở thiết kế tác giả chọn bề rộng hai đường cong Bezier 0.8 (mm) chiều dày cấu 15.0 (mm) Hình Sơ đồ điểm điều khiển CFM 81 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Đường cong Bezier biểu diễn sau: = Bt yi ] i [ xi ,= (1) t ∈ [ 0,1] (2) ∑ B b (i ) = P (t ) i =1 bi= ,n 1, 2, , n + n +1 t) (= i i , n +1 n i n −i t (1 − t ) i (3) Hàm b i,n (t) hàm sở đường cong Bezier mô tả đa thức Bernstein: bi ,n= ( t ) Cni t i (1 − t ) = Cni n −i ≤ t ≤1 (4) n! = i 0, , n i !( n − i ) ! (5) Trong n bậc đa thức Cni hệ số nhị thức, t tham số, P(t) B i phương trình điểm điều khiển đường cong Bezier [4] Hình dạng đường cong nhánh bên thiết kế tương tự đường cong Hình dạng đường cong Côsin: yr = h π xr 1 − cos L (6) Trong x r , y r vector vị trí L h khoảng chiều dài chiều cao tương ứng đường cong Bảng Giới hạn biến thiết kế Biến Giới hạn (mm) Giới hạn (mm) h L w Tọa độ x điểm B u Tọa độ y điểm B u Tọa độ x điểm B l Tọa độ y điểm B l 7.0 20.0 0.8 -11.0 -11.0 -22.0 12.0 42.0 1.6 4.0 22.0 4.0 Trong báo này, tác giả sử dụng quy trình thiết kế tính toán dùng giải thuật di truyền để giải toán tối ưu hóa hình dạng Quy trình ứng dụng để thiết kế khớp mắt cá chân giả dùng cấu đàn hồi [5] Trong trình thiết kế mong muốn lực đầu cấu không đổi phạm vi chuyển vị Cấu trúc biến thiết kế ràng buộc, kích thước cấu giới hạn Phương trình bên hàm mục tiêu cấu đàn hồi có lực đầu không đổi thiết kế F Min c − Fb (7) Các tọa độ điểm điều khiển đường cong tham số bề rộng đường cong tham số côsin giới hạn Bảng 82 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Do mối quan hệ biến dạng chuyển vị cấu hàm phi tuyến khó để tìm hàm giải tích mô tả ràng buộc Trong nghiên cứu tác giả sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô hình hóa cấu tìm mối quan hệ lực – biến dạng cấu phạm vi biến dạng đàn hồi Hình mô hình chia lưới FEM cấu sử dụng phần tử dạng Mô hình phân tích phần tử hữu hạn nhánh bên trái cấu gồm 140 phần tử 142 nút Hình Mô hình chia lưới FEM Trong thiết kế này, vật liệu nhựa POM [6] với E = 2.5 (Gpa), hệ số poisson 0.25 giới hạn đàn hồi 76 (MPa) lựa chọn để tiến hành mô cho cấu Quá trình tính toán mô thực phần mềm ABAQUS [7] 2.3 Tối ưu hóa Thông qua giải thuật di truyền, ta sử dụng phần mềm MATLAB [8] ABAQUS để tối ưu hóa biên dạng cấu Trong trình tối ưu hóa, số lượng hệ thiết lập 20 hệ dân số hệ 20 Các thiết kế tối ưu cấu đàn hồi có lực đầu không đổi biến thiết kế, số lượng biến thiết kế sử dụng cấu 15 biến Thứ tự biến thể cụ thể qua Hình Hình Thứ tự biến thiết kế Sử dụng giải thuật tối ưu hóa tài liệu [5] kết hợp với mô hình FEM Hình với số hệ tiến hóa giải thuật di truyền 20, kết tối ưu hóa tọa độ điểm điều khiển đường cong tham số được thể qua Bảng 83 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Bảng Giá trị tối ưu hóa biến thiết kế Biến Giá trị (mm) Tọa độ điểm B u1 B l1 h L w t Giá trị (mm) Biến (0, 0) 10.87 41.33 0.91 15.0 Tọa độ điểm B u2 Tọa độ điểm B u3 Tọa độ điểm B u4 Tọa độ điểm B l2 Tọa độ điểm B l3 Tọa độ điểm B l4 (2.75, 5.17) (- 3.95, 20.67) (- 6.11, 21.09) (- 2.37, - 5.76) (- 6.88, - 14.89) (- 1.48, - 16.77) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Sử dụng phần mềm ABAQUS để mô ứng suất cấu Thông qua kết mô phỏng, ta đánh giá khả làm việc cấu Mô hình phần tử dạng mặt sử dụng để kiểm tra lại kết ứng suất cho thiết kế sau Ở tác giả chọn phần tử CPE8R để phân tích nhánh bên toán thiết kế Tổng số phần tử dạng mặt chia lưới FEM cho nhánh bên toán 1,373 phần tử Kết mô thể qua Hình 8(a) (b) (a) (b) Hình Kết mô phỏng: a) Bằng phần tử 2D b) Bằng phần tử soilid 3D Nhu cầu xây dựng mối quan hệ tổng quát lực F biến thiết kế cần thiết thiết kế cấu đàn hồi Tuy nhiên trường hợp cấu CFM nghiên cứu đặc tính chuyển vị cấu hàm phi tuyến biên dạng đường cong tham số đường cong tự nên xây dựng phương trình tổng quát Trong hầu hết trường hợp vậy, công cụ tính toán số dùng phương pháp phần tử hữu hạn giúp ta giải vấn đề cách dễ dàng Giản đồ lực, ứng suất – chuyển vị thể qua Hình 9, với b = 7.0 (mm), c = 13.58 (mm), F b = 13.608 (N), F c = 14.172 (N) Hình 10 giản đồ lượng – chuyển vị CFM Theo đồ thị kết mô Hình 9, phạm vi hoạt động thiết kế CFM tối ưu sau với khoảng chuyển vị từ b đến c 48.45% toàn khoảng chuyển vị cấu Như Hình 9, chuyển vị tăng từ (vị trí ban đầu) lực đầu tăng dần đến vị trí khoảng từ b = (mm) đến c = 13.58 (mm) lực đầu cấu gần không đổi F tb = 13.89 (N) 84 Hình Đồ thị lực, ứng suất – chuyển vị Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình 10 Đồ thị lượng – chuyển vị Hình 11 Bố trí sơ đồ thí nghiệm Cơ cấu đàn hồi với đặc tính tích trữ lượng suốt trình biến dạng, phần lượng sau tận dụng cho giai đoạn làm việc sau Từ đồ thị Hình 10 thấy, lượng đàn hồi tích trữ khâu hoàn toàn khác Trong trình thiết kế, tùy thuộc vào biên dạng đàn hồi làm cho độ cứng dương hay âm tác dụng lực F hướng theo chiều thẳng đứng Chính nhờ phối hợp làm cho độ cứng tổng hợp cấu vùng làm việc xấp xỉ không Đây nguyên nhân làm cho lực cấu không bị thay đổi phạm vi làm việc thiết kế Việc kiểm tra đồ thị lực – chuyển vị cấu CFM bố trí sơ đồ Hình 11 Trong đó, động bước dùng để tạo chuyển vị cho cấu thông qua trục vitme Một cảm biến lực dùng để ghi lại phản lực cấu bị biến dạng Cơ cấu CFM gá cố định lên khung thiết bị kiểm tra thông gia phần giá cố định bulong Tiếp xúc đầu cảm biến lực trượt để tự Do độ cứng mặt phẳng cấu thiết kế nhỏ nhiều so với độ cứng mặt phẳng vuông góc với cấu (chiều dày toàn đàn hồi 15mm so với bề rộng 0.8mm cho Bezier 0.9mm cho cosin) nên hạn chế khả cấu bị biến dạng mặt phẳng vuông góc Ngoài ra, để hạn chế khả chuyển vị theo phương ngang cấu lực F không tác dụng tâm, cấu trượt bi bố trí bên trượt CFM Trong số trường hợp ứng dụng thực tế, thiết bị đầu cuối tay máy thường có tích hợp cảm biến chống tải Đối với cấu CFM thiết kế báo này, tay máy làm việc thoải mái khoảng hoạt động thiết kế mà phản lực không đổi Thông thường người thiết kế phải lường trước khoảng biến dạng xảy cho cấu làm việc để đưa ràng buộc vào trình tính toán tối ưu Tuy nhiên, xảy trường hợp chuyển vị lớn dự kiến cấu đàn hồi tiếp tục bị biến dạng mà không sợ làm hỏng tay máy Đây ưu điểm khác dùng cấu đàn hồi để thiết kế hệ thống khí KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đề xuất thiết kế cấu đàn hồi có lực đầu không đổi sở tối ưu hóa biên dạng giải thuật di truyền Một cấu CFM cấu tạo dựa đường cong tham số Côsin Bezier Cơ cấu tích trữ lượng đàn hồi để sau phân phối phần lượng trình làm việc cho phản lực tác dụng lên cấu không đổi Cơ cấu tạo lực đầu gần liên tục (F tb = 13.89 (N)) khoảng chuyển vị từ 7.0 (mm) đến 13.58 (mm) với đàn hồi vật liệu POM có thông số thiết kế tối ưu Bảng 85 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] L L Howell, 2001, Complaint Mechanisms, John Wiley & Sons, New York [2] Cameron Boyle., et al, 2003, Dynamic Modeling of Compliant Constant-Force Compression Mechanisms, Mechanism and Machine Theory, Vol 38, pp 1469÷1487 [3] Chao-Chieh Lan, Yi-Ho Chen, 2012, An Adjustable Constant-Force Mechanism for Adaptive End-Effector Operations, ASME Journal of Mechanocal Design, Vol 134, pp 031005 [4] Nguyễn Hữu Lộc, 2010, Kỹ thuật CAD/CAE, NXB Khoa học Kỹ thuật, TP HCM [5] Pham Huy Tuan, et al., 2014, Shape Optimization and Fabrication of a Parametric Curved-Segment Prosthetic Foot for Amputee, Journal of Science & Technologies: Technical Universities, Vol 102, pp 89-95 [6] Pham Huy Tuan and Wang, D.A., 2011, A Quadristable Compliant Mechanism with a Bistable Structure Embedded in a Surrounding Beam Structure, Sensors and Actuators A – Physical, Vol 167, pp 438-448 [7] H D Hibbitt, et al., ABAQUS User Manual, Version 6-2, HKS Inc., Providence, RI, USA, 2001 [8] MATLAB 8.0, The MathWorks, Inc., Natick, Massachusetts, United States 86 ... kiến cấu đàn hồi tiếp tục bị biến dạng mà không sợ làm hỏng tay máy Đây ưu điểm khác dùng cấu đàn hồi để thiết kế hệ thống khí KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đề xuất thiết kế cấu đàn. .. [5] Trong trình thiết kế mong muốn lực đầu cấu không đổi phạm vi chuyển vị Cấu trúc biến thiết kế ràng buộc, kích thước cấu giới hạn Phương trình bên hàm mục tiêu cấu đàn hồi có lực đầu không đổi. .. cộng [3] thiết kế CFM ứng dụng cấu đàn hồi cho cánh tay robot để điều khiển cấu chấp hành qua thay đổi số lực đầu cho phù hợp với sản phẩm khác Trong nghiên cứu đó, tác giả kết hợp cấu song ổn