THIẾT KẾ VÂY CÁ DẠNG GIMNOTIFORM UNDULATING LUẬN VĂN CƠ ĐIỆN TỬ, ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

  ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ  BỘ MƠN CƠ ĐIỆ N TỬ   THIẾT K Ế VÂY CÁ DẠNG GIMNOTIFORM UNDULATING Sinh viên thực hiện: Phan Đình Khánh  Giảng viên hướ ng ng dẫn: PGS TS Nguyễn Tấn Tiến MSSV: 21301797 TPHCM, ngày 22 tháng 12 năm 2017      ƠN  LỜ I CẢM CẢM ƠN  Tp.HCM, ngày 22 tháng 12 năm 2017     Mục lục LỜI CẢM ƠN  2  TỔ NG QUAN 10  1.  Mục tiêu nghiên cứu 10  2.  Sơ lượ c về lĩnh vực nghiên cứu robot cá 10  2.1.  Các loại vây cá 10  2.2.  Tổng quan lĩnh vực robot cá 11  3.  Vây cá chuyển động dạng sóng cơng trình liên quan 12  3.1.   Nghiên cứu phát triển Robot mô cá dao ma đen Nam Mỹ [3]  12  3.2.   Nghiên cứu phát triển Robot lấy ý tưở ng ng từ cá mực 16  4.  Xác định đề tài luận văn  21  LỰ A CHỌN PHƯƠNG ÁN  22  1.  Lựa chọn chế dao động tia vây 22  2.  Lựa chọn thiết bị truyền động 24  3.  Lựa chọn thiết bị truyền động 27  Lựa chọn phương án truyền động 28  4.1.  Truyền động cấu bánh   28  4.2.  Truyền động đai  30  4.3.  Truyền động khâu lề  31  5.  K ết luận 31  THIẾT K Ế  32  1.  Phân tích động lực học chất lưu  32  1.1.  Biên dạng màng vây dao động 32  1.2.  Phân tích động lực học chất lưu màng vây liên tục dao độ ng 4.    nướ c 33 1.3.  Mơ hình hóa màng vây r ờ  ờ i r ạc 54  1.4.  Phân tích momen tia vây 63  2.  Thiết k ế cơ khí  79  2.1.  Lựa chọn động cơ   79  2.2.  Thiết k ế cơ cấu bốn khâu lề  80      3.  Thiết k ế điện n 85  3.1.  Giao tiế p động máy tính  85  3.2.  Thiết k ế mạch điều khiển trung gian 87  3.3.  Thiết k ế mạch điều khiển động cơ   88  3.4.  Thiết k ế bộ điều khiển 93  4.  Mô Ansys fluent 97 97  ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ K ẾT LUẬ N 99  K ết quả thực nghiệm mơ hình hóa 99  TÀI LIỆU THAM KHẢO 108  Phụ lục 108      10  H ình 1.1 1 Các loại vây loài cá(đại diện cá phi) 12  H ình 1.2 2 Sơ đồ biể u thị các kiể u di chuyển đặc tính 13  H ình 1.3 3 Cá dao ma đen Nam Mỹ   H ình 1.4 4 C ấấ u  t ạo Ghostbot đại học Northwestern [2]  14  H ình 1.5 C ấấ u  t ạo vây Robot NKF   bậc t ự  ự do 16   ng cách dùng vây   17   H ình 1.6 6 Cá mự c di chuyể n bằ ng H ình 1.7 7 Mơ hình thiế t k ế  ế và cấ u truyền động Sepios [6]  18  20  H ình 1.8 Squid Robot phiên thứ    đại học Osaka,Nhật Bản [6]  ự   do) 2233  H ình 2.1 C ấấ u  t ạo màng vây d ạng song song(   bậc t ự  Mơ hình màng vây dao động 24  H ình 2.2 2  Mơ H ình 2.3 3 Ngun lý hoạt động EAP tương tự  như tụ điện 25  ng thiế t k ế  ế  màng màng vây sử  d   d ụng EAP 25  H ình 2.4 4 Ý tưở ng  2 26   H ình 2.5 5 Cơ bắ  p nhân t ạo 27   H ình 2.6 Cơ cấ u truyền động cam  d ụng ụng bánh côn  29  H ình 2.7 7 Phương pháp sử  d  ng 30  H ình 2.8 8 Phương pháp truyền động bánh thẳ ng ế theo phương pháp bộ truyền đai  30  H ình 2.9 Thiế t k ế  ế theo phương pháp khâu l ềề   31  H ình 2.1 2.10 Thiế t k ế  ng vớ i thông số  đầu vào thay đổ i 33  H ình 3.1 1 Biên d ạng màng vây ứ ng ử dS màng vâ vâyy 34  H ình 3.2 2 Xét phần t ử  H ình 3.3  Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ t ần số (Hz) (Hz) l ự ự c(N) c  (N) 37    Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ t ần số (Hz) (Hz) l ự ự c(N) c  (N) 38  H ình 3.4 4  Đồ  Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ t ần số (Hz) (Hz) l ự ự c(N) c  (N) 38  H ình 3.5 5  Đồ (Hz) l ự c  (N) 39  H ình 3.6 6  Đồ  Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ t ần số (Hz) ự c(N)  Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ t ần số (Hz) (Hz) l ự ự c(N) c  (N) 39  H ình 3.7  7   Đồ  Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ t ần số (Hz) (Hz) l ự ự c(N) c  (N) 40  H ình 3.8 8  Đồ     H ình 3.9 9  Đồ  Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ t ần số (Hz) (Hz) l ự ự c(N) c  (N) 40    Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ thờ i gian(s) l ự ự c(N) c  (N) 41  H ình 3.10 10 Đồ  Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ thờ i gian(s) l ựự c(N) c  (N) 42  H ình 3.11 11  Đồ c  (N) 42  H ình 3.12 12  Đồ  Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ thờ i gian(s) l ựự c(N)  Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ thờ i gian(s) l ựự c(N) c  (N) 43  H ình 3.13 13  Đồ H ình 3.14 14  Đồ  Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ biên độ(Rad) l ựự c(N) c  (N) 44   Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ biên độ (Rad)và l ựự c(N) c  (N) 44  H ình 3.15 15  Đồ  Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ số  bướ c sóng l ựự c(N) c  (N) 45  H ình 3.16 16  Đồ H ình 3.17  17   Đồ  Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ số  bướ c sóng l ựự c(N) c  (N) 45  c  (N) 46   H ình 3.18 18  Đồ Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ số  bướ c sóng l ựự c(N)   Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ số   t  t ần số  và  v Momen(Nm) 48  H ình 3.19 19 Đồ   Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ số   t  t ần số  và  v Momen(Nm) 48  H ình 3.20 20 Đồ   Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ số   t  t ần số  và  v Momen(Nm) 49  H ình 3.21 21 Đồ  v Momen Momen(Nm) (Nm) 49  H ình 3.22 22  Đồ  Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ số   t t ần số  và  v Momen(Nm) 50  H ình 3.23 23  Đồ  Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ số   t t ần số  và  Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ số  th  thờ i gian Momen(Nm) 50  H ình 3.24 24  Đồ  thờ i gian Momen(Nm) 51  H ình 3.25 25  Đồ  Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ số  th  Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ số  biên độ và Momen(Nm) 52  H ình 3.26 26  Đồ   H ình 3.27  27   Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ số  biên độ và Momen(Nm) 52  Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ số  bướ c sóng Momen(Nm) 53  H ình 3.28 28 Đồ   Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ số  bướ c sóng Momen(Nm) 54  H ình 3.29 29 Đồ ờ i r ạc màng vây 55  H ình 3.30 30 Mơ hình r ờ  ọa độ màng quán tính  và g ố  và ố c  t ọa ọa độ g ắắ n  vớ i màng vây   56   H ình 3.31 31 Gố c t ọa H ình 3.32 32 Biể u diễ n t ọa ọa độ điể n q hệ t ọa ọa độ quán tính 57    Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ số  tia  tia vây Lực theo phương x(N)  60  H ình 3.33 33  Đồ  Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ thờ i gian(s) Lự c(N) c(N) 60  H ình 3.34 34  Đồ c(N) 61  H ình 3.35 35  Đồ  Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ thờ i gian(s) Lự c(N) H ình 3.36 36  Đồ  Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ bướ c sóng   và Lự c(N) c(N) 62  }  } c(N) 62  H ình 3.37  37   Đồ Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ bướ c sóng   và Lự c(N)   Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ bướ c sóng   và Lự c(N) c(N) 63  H ình 3.38 38 Đồ H ình 3.39 39 Mơ hình hai tia vây h ệ t ọa ọa độ   và  và hệ t ọa ọa độ quán tính   66      Kích thướ c màng vây g ắắ n  hai tia (S ốố   bướ c sóng  )  ) 69  H ình 3.40 40  Kích  }      } 2    ) 70  H ình 3.41 41  Kích thướ c màng vây g ắ n hai tia (S ố  bướ c sóng H ình 3.42 42 Kích   Kích thướ c màng vây g ắ ắ n  hai tia (S ốố   bướ c sóng  )  ) 71   Kích thướ c màng vây g ắắ n  hai tia (S ốố   bướ c sóng  )  ) 71  H ình 3.43 43  Kích  Kích thướ c màng vây g ắắ n  hai tia (S ốố   bướ c sóng  )  ) 72  H ình 3.44 44  Kích  )  ) 73  H ình 3.45 45  Kích  Kích thướ c màng vây g ắắ n  hai tia (S ốố   bướ c sóng  Kích thướ c màng vây g ắắ n  hai tia (S ốố   bướ c sóng  )  ) 74  H ình 3.46 46  Kích  Momen biế n d ạng màng vây 74  H ình 3.47  47  Momen  Đồ thị biể u diễ n momen thành phần a) pha dao độ ng tia vây thứ    và b) l ựự  c H ình 3.48 48  Đồ t ạo  , số  bướ c sóng  ,   ,,  c) Đồ thị biể u diễ n momen l ự ự c  gây tương tác lưu chất d) Momen trườ  ng e) T ổ n tr ườ ng ổ ng   g momen 77     213   23 3          450  450 H ình 3.49 49  Đồ thị biể u diễ n momen thành phần a) pha dao độ ng tia vây thứ    và b) l ự c t ạo  , số  bướ c sóng  ,   ,,  c) Đồ thị biể u diễ n momen l ự ự c  gây tương tác lưu chất d) Momen trườ  ng e) T ổ n tr ườ ng ổ ng   g momen 78  n   g tia vây thứ  2 79  H ình 3.50 50 Momen t ổổ ng H ình 3.51 51  Động  Động GA12  80  80  H ình 3.52 52 IC driver tb6552 81  H ình 3.53 53 Module tia vây chưa lắp đặt cấ u phản hồi H ình 3.54 54  Đồ  Đồ thị biể u diễ n quan hệ giữ a góc khâu góc tia vây 82   Đồ thị biể u diễ n tâm quay t ứ  ứ c thờ i chuyển động 82  H ình 3.55 55  Đồ  Module tia vây lắp đặt cấ u phản hồi 83  H ình 3.56 56  Module  Momen M= 1.5Nm t ại khớ   p D 83  H ình 3.57  57  Momen  hình ảnh chi tiế t thiế t k ế  ế  85  H ình 3.5 3.58 8 M ột số  hình n 86   H ình 3.59 59 Sơ đồ t ổổ ng   g quát truyề n nhận 86   H ình 3.60 60 Sơ đồ cụm module truyề n nhận liệu 86   H ình 3.61 61 Frame truyề n nhận d ữ  ữ  li H ình 3.62 62 Nguyên lý l ắắ  p  ráp mạch điện RS-232 87   88  H ình 3.63 63 Sơ đồ nguyên lý mạch điề u khiể n trung gian 89  H ình 3.64 64 Sơ đồ khố i mạch điề u khiển động cơ   90  H ình 3.65 65 Khố i xử  lý 232 91  H ình 3.66 66 Khối điề u khiển động cơ    C ảm biế n   91  H ình 3.67  67  C    Đặc tính tuyế n tính cảm biế n  (www.alps.com) 92  H ình 3.68 68 Đặ 50 501015     H ình 3.69 69 Giao diện điề u khiể n khảo sát bộ thông số  tia vây ver1.1 93   tia vây ver1.0 93  H ình 3.7 3.70 Giao diện thự c nghiệm số  tia   Đồ thị biể u diễn đáp ứng đầu dao độ ng có chu k    95  H ình 3.71 71 Đồ  ỳ vớ i  Đồ thị biể u diễn đáp ứng đầu ứ ng ng vớ i   96   H ình 3.72 72  Đồ  Đồ thị biể u diễn đáp ứng động bám theo sóng sin biên độ    , , t ần số  H ình 3.73 73  Đồ 6 3.9,100,3000.0 12 96   ng CFD 97   H ình 3.74 74 Quy trình th ự c giải tốn bằ ng mặt cắ t 10cm 98  H ình 3.75 75 Biên d ạng màng vây ở   m H ình 3.76 76 Mesh model màng vây robot cá dao động d ạng sóng 98  ế t quả thự c nghiệm mơ hình hóa sự  thay đổ i t ần số   99  H ình 4.1 1 K ế  ế t quả thự c nghiệm mơ hình hóa sự  thay đổ i t ần số   100  H ình 4.2 2 K ế  ế t quả thự c nghiệm mơ hình hóa sự  thay đổ i t ần số   100  H ình 4.3 3 K ế  ế t quả thự c nghiệm thay đổ i chiề u dài 101  H ình 4.4 4 K ế   Đồ thị biể u diễ n vẫ n t ốố c  dòng chả y t ại thời điể m số  bướ c sóng  , , biên độ   , , H ình 4.5 5  Đồ t ần số   (TH1) 103   Đồ thị biể u diễ n vẫ n t ốố c  dòng chả y t ại thời điể m số  bướ c sóng  , , biên độ   , , H ình 4.6 6  Đồ t ần số   (TH1) 104   Đồ thị biể u diễ n vẫ n t ốố c  dòng chả y t ại thời điể m số  bướ c sóng  , , biên độ   , , H ình 4.7  7   Đồ 0.5 1.5 300 300 300 t ần số   2 1 300 300 (TH1) 105  H ình 4.8 8  Đồ  Đồ thị biể u diễ n vẫ n t ốố c  dòng chả y t ại thời điể m số  bướ c sóng  , , biên độ   , , t ần số   (TH2) 106   H ình 4.9 9  Đồ Đồ thị biể u diễ n vẫ n t ốố c  dịng chả y t ại thời điể m số  bướ c sóng  , biên độ   , t ần số   (TH2) 107       TỐT NGHIỆ LUẬN VĂN TỐT LUẬN NGHIỆP Đề tài: Đề  tài: Thiết k ế vây cá dạng Gymnotiform Undulating Tóm tắ tắ t  Nội dung luận v ăn tậ p trung tìm hiểu về các dạng robot cá vớ i nhiều mục đích ứng dụng khác nhau, tập trung vào lồi có màng vây dao động dạng sóng, từ đó làm cơ   ssở  để nghiên cứu, thiết k ế mơ hình k ết hợ  p vớ i mơ mơ hình hóa vớ i mục tiêu có đượ c bộ thơng số phù hợ  p vớ i dạng chuyển động đặt Hơn việc nghiên cứu màng vây sở  và  và tiền đề cho việc thiết k ế robot cá có vây dao động dạng sóng Ln văn về  thiết k ế hồn tất phần: khí, điện, điều khiển, k ết quả  thực nghiệm đượ c kiểm nghiệm mơ hình hóa mơ ph ỏng chiều động lực học chất lưu  bằng matlab, từ đó xác định sai số cũng nhận định ban đầ u yếu tố dẫn đến sai số  Cuối để tăng độ tin dữ liệu q trình tính tốn data sẽ đượ c so sánh vớ i k ết quả mơ chuyển động 2D màng vây Thông qua luận văn tác giả đã hoàn thiện cách để cấu trúc vấn đề, xác định vấn đề, giải vấn đề Từ việc xây dựng hệ thống thơng qua mơ hình hóa, thực nghiệm kiểm nghiệm thông qua mô giúp cho tác giả có thể hiểu thêm phần về cơ học chất lưu,  cách để có thể chia lưới động học, l ậ p trình Udf Ansys fluent, lậ p trình vi điều khiển, tự vận hành máy công cụ: tiện, phay, hàn, CNC,phần mềm gia công Mastercam Sử dụng phần mềm: Altium, Autocad, Solidworks, Matlab     TỔNG QUAN 1.  Mục tiêu nghiên cứ  cứ u  Nghiên cứu loại vây mô sinh học v ớ i m ục tiêu ngắn h ạn có đượ c hi ểu bi ết sâu về  chế hoạt động vây loại thủy sinh có vây dao động dạng sóng, mục tiêu dài hạn đến thiết k ế chế tạo ứng dụng dạng robot vớ i mục đích thiết bị giám sát kiểm tra hoạt động nướ c, c, quan sát sinh c ảnh biển ngành công nghi ệ p gi ải trí v.v Là tiền đề quan tr ọng việc tiến tớ i nghiên cứu loại phương tiện di chuyển nướ c mà không ảnh hưở ng ng nhiều tới môi trườ ng ng thủy sinh Undulating fin robot ngành nghiên cứu lĩnh vực robot mô sinh học đượ c phát triển mạnh mẽ  năm gần Lĩnh vực hứa hẹn mang tớ i    phương thức di chuyển nướ c hoàn toàn mớ i vớ i hiệu suất ảnh hưở ng ng r ối loạn môi trường nướ c thấp so vớ i việc sử dụng dạng truyền động chân vịt, không  bị cản tr ở  ở khi  khi di chuyển môi trường nướ c phức tạp (như rong biển, tảo v.v…) Hiện nay, thế giới có nhiều nhóm nghiên cứu về lĩnh vực có đượ c k ết quả  mơ hình robot cá(Robot knifefish, Sepios robot, NKF II, Squid robot …) Vớ i gi ớ i h ạn đề tài luận văn, nghiên cứu đến vi ệc r ờờ i  r ạc hóa mơ hình vây cá có sóng hình sin thành tia vây r ờ  ời  r ạc Chứng minh, thực nghiệm, mô mối quan hệ  lực thông s ố động học dấn đến thay đổi lực Từ đó bắt đầu đế n chế tạo mơ hình thí nghiệm màng vây để kiểm tra thông s ố ảnh hưởng đến lực đẩy robot 2.  Sơ lượ c về lĩnh vự c nghiên cứ  cứ u robot cá 2.1. Các loạ loại vây cá Vây cá bao gồm gai xương tia nhô khỏi thể đượ c bao bọc bở i da lớ  p màng m ỏng, thườ ng ng thấy ở   hhầu hết loài cá có xương sống Để  xét k ỹ hơn về  cấu tạo loại vây, ta xét cụm vây loài cá đại diện(cá phi hình 1) Vây lưng Vây bên Vây Vây hậu mơn Vây bụng   H ình 1.1 1 Các loại vây loài cá(đại diện cá phi) Có loại vây chính, loại vây đảm nhận   loại nhiệm vụ khác trình bơi:   Vây bên: thườ ng ng n ằm ở  phía   phía sau  bên mang cá, có chức điều ch ỉnh độ sâu  cá giữ cân suốt tr ình ình bơi.       Vây bụng: thườ ng ng nằm bên dướ i phần bụng phía sau vây ng ực (ở  m  một s ố ít lồi  cá, vây bụng nằm phía trướ c vây ngực), có chức giúp cá đi lên xuống, di chuyển nhanh dừng lại cách đột ngột   lưng cá, cá có th ể  có đến  vây lưng, có chức gi ữ   Vây lưng: nằm ở  trên ng dừng lại thăng bằng chống xoay vòng giúp cá vi ệc đột ngột r ẽ hướ ng   phía sau hậu mơn, có chức ổn định cá  Vây hậu môn: nằm ở   bề  mặt bụng ở  phía q trình bơ ii   phía cuối và đượ c xem là “động q  Vây đi: nằm ở  phía trình bơi của cá” Tuy nhiên, một  số lồi cá khơng thiết ph p hải có tất cả các loại vây k ể trên Đặc   biệt ở  một số lồi động vật sống dưới nướ c, c, chỉ có một loại vây phát triển đảm nhận tất chức n ăng trình  bơi c ủa cá, điển hình như cá mực có  vây dọc     bên thân, cá dao ma đen chỉ  có  vây dọc ph ần thân dưới  của c ơ   thể Ở các loài động vật này, vây chuyển động theo một cơ  ch  chế vô đặc biệt, đa số là chuyển động nhấ p nhô dạng sóng, từ tạo l ực  đẩy có ích cho q trình  bơ i yếu tố quan trọng hình dạng dịch nhầy nhầ y tạo ra[1] 2.2. Tổng quan lĩnh vự c robot cá Hiện theo  nghiên cứu loài cá chia làm 2  loại[2]: body and/or caudal fin (BCF) movement median and/or paired fin (MPF) propulsion.Đặc điểm MPF di chuyển chậm tính động cao đạt hiệu suất lớn trình di chuyển [2]  trình bày cụ thể Hình 1.2     1 2  tia vây ver1.0  H ì nh 3.70 3.70 Giao diện thự c nghiệm số  tia 3.4. Thi Thiếết k ế b  bộộ điề điều u khiể khiển Theo q trình tính tốn ứng vớ i tần số dao động lớ n trong q trình tính ttốn ốn  với biên độ lớ n , yêu cầu đáp ứng ứ ng động phải thỏa mãn: Độ vọt lố: 5% 45 2      