PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG PHẢN HỒI LỰC DÙNG LƯU CHẤT TỪ BIẾN TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM DIỆP BẢO TRÍ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG PHẢN HỒI LỰC DÙNG LƯU CHẤT TỪ BIẾN Chuyên ngành: Cơ Kỹ Thuật Mã số chuyên ngành: 9520101 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP HỒ CHÍ MINH – NĂM 2021 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành Tp.HCM Người hướng dẫn khoa học 1: PSG.TS Nguyễn Quốc Hưng Người hướng dẫn khoa học 2: TS Mai Đức Đãi Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án Cấp Cơ sở họp Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM vào ngày tháng năm MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Hiện đà phát triển nhanh chóng khoa học cơng nghệ đặc biệt công nghiệp 4.0 tiến sâu vào lĩnh vực sống người đại Về bản, hệ thống điều khiển từ xa bao gồm hệ điều khiển bị động hệ chủ động Trong hệ thống vấn đề quan trọng cần giải thiếu thơng tin tín hiệu phản hồi vị trí, lực, mơ-men phận tác động cuối hệ điều khiển bị động cho người vận hành Việc thiếu thông tin làm giảm tính xác tính linh hoạt hệ thống Vì đề tài nghiên cứu tác giả nhóm nghiên cứu tập trung nghiên cứu tính đáp ứng lưu chất từ biến, phát triển cấu tạo lực, mô-men dựa lưu chất từ biến, đồng thời phát triển cấu phản hồi lực dùng lưu chất từ biến Mục đích nghiên cứu - Phát triển cấu hình phanh mới, cấu quay hai chiều sử dụng lưu chất từ biến nhằm mục đích giảm kích thước, khối lượng phanh, đồng thời tăng mô-men phanh cực sử dụng cấu phản hồi lực - Phát triển hệ thống phản hồi lực cấu haptic, tay máy bậc tự có phản hồi lực sử dụng phanh cấu quay hai chiều dùng lưu chất từ biến đề xuất Phương pháp nghiên cứu cách tiếp cận - Phương pháp số: phương pháp đạo hàm bậc nhất, thuật tốn tiến hóa (Differentral Evolution), điều khiển kín PID (Proportional Integral Derivative), điều khiển đại (SMC, SISO, Noron, Fuzzy) - Đối tượng nghiên cứu cấu phanh, cấu quay hai chiều, ly hợp sử dụng MRF Các kết lời giải so sánh với nghiên cứu trước để kiểm tra tính đắn độ tin cậy Tính đề tài Các điểm nghiên cứu so với nghiên cứu trước: - Cơ cấu hai chiều thay phanh ly hợp dùng MRF để giúp người điều khiển cảm nhận lực làm việc hệ thống trạng thái tĩnh, đồng thời loại bỏ ảnh hưởng ma sát đến độ xác hệ thống phản hồi lực - Tập trung thiết kế, chế tạo cấu phản hồi lực dùng lưu chất MRF kiểu - Thiết kế tối ưu thông số hình học cho cấu hai chiều, phanh quay phanh tịnh tiến dùng MRF với ràng buộc mô-men lực đầu lớn lực yêu cầu - Phân tích động lực học hệ thống phản hồi lực - Xây dựng mơ hình điều khiển cho hệ thống phản hồi lực đề xuất Cấu trúc luận án: cấu trúc luận án gồm chương Chương Tổng Quan Chương Cơ Sở Lý Thuyết Chương Phát Triển Cơ Cấu Hai Chiều Cho Hệ Thống Phản Hồi Lực Dùng Lưu Chất Từ Biến Chương Phát Triển Hệ Thống Joystick Có Phản Hồi Lực Dùng Lưu Chất Từ Biến Chương Phát Triển Tay Máy 3D Phản Hồi Lực Dùng Lưu Chất Từ Biến Chương Kết Luận Chương TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu lưu chất từ biến MRF (Magneto Rheological Fluid) Lưu chất từ biến dạng lưu chất phản ứng với từ trường số loại vật liệu thông minh Vật liệu dạng có khả chuyển từ trạng thái lỏng sang dạng trạng thái sệt có từ trường qua lưu chất Nói chung vật liệu MRF bao gồm chất lỏng (chất mang chứa hạt kim loại từ tính), hạt từ tính phân cực chất ổn định chất hoạt động bề mặt Chất ổn định chất hoạt động bề mặt dùng để khắc phục lắng đọng hạt từ tính, chúng ảnh hưởng lớn đến khả lưu biến lưu chất MR Các đặc điểm từ tính lưu chất MR (Magneto Rheological) bao gồm ứng suất, độ nhớt độ lắng đọng [1, 2] Các đặc điểm phụ thuộc vào tham số biến đổi khác tỷ trọng hạt từ tính, loại hạt từ tính, mật độ hạt từ tính, cường độ từ trường, nhiệt độ, tính chất chất lỏng loại chất lỏng hoạt động bề mặt [3] 1.2.1 Các thành phần MRF Thành phần (Hình 1.1): hạt từ tính (1), chất lỏng (2), chất phụ gia - Các hạt từ tính phù hợp sắt, hợp kim sắt, oxit sắt, nitrat sắt, cacbua sắt, sắt carbonyl, niken coban [4, 5] - Chất lỏng tạo thành pha liên tục cho MRF Chất lỏng thích hợp Hình 1.1 Thành phần MRF dầu silicon, dầu khống, dầu parafin, dầu thủy lực [5] - Chất hoạt động bề mặt thêm vào nhằm làm giảm lắng đọng hạt MRF [6] Hiện tượng lắng đọng gây hành vi cắt mỏng huyền phù [7] Với lắng đọng tăng lên MRF tác động ứng suất cao tốc độ cắt cao thời gian dài chất lỏng sệt lại [8] 1.2.2 Nguyên lý hoạt động MRF Khi MRF trạng thái bình thường khơng có từ trường qua lưu chất hạt sắt từ lưu chất chuyển động tự biểu diễn theo thuộc tính Newton chất lỏng khác (Hình 1.2a), cịn MRF trạng thái có tác dụng từ trường bên ngồi hạt từ tính gắn kết xếp lại với theo hình dạng khác Hình 1.2 Các trạng thái MRF tùy vào phân bố đường sức từ mà chúng có khả chống phá vỡ liên kết, làm cho lưu chất sệt lại (Hình 1.2b,c) 1.3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng MRF Trong năm gần đây, với phát triển mạnh mẽ việc nghiên cứu ứng dụng vật liệu thơng minh đặc biệt MRF, có số nghiên cứu nước cấu phản hồi lực dùng MRF quan tâm Trong đó, tác giả Nguyễn Ngọc Điệp cộng [9] nghiên cứu thành công đề tài “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mơ hình tay máy chép chuyển động phản hồi lực”; K H Kim cộng [10] nghiên cứu chế tạo bàn tay phản hồi lục bậc tự dùng phanh MRF thẳng, lực tĩnh ban đầu lớn N; Scott Winter Mourad Bouzit [11] nghiên cứu chế tạo găng tay phản hồi lực dùng cấu phanh MRF thẳng Kích thước phanh MRF 50x12x12 mm, lực lớn tạo N 1.4 Kết luận Thông qua nghiên cứu, tác giả nghiên cứu phát triển mô hình ứng xử MRF cho hệ Đồng thời dựa cải tiến này, tác giả tiến hành phân tích, tích tốn, tối ưu hóa thơng số hình học, ràng buộc hệ thống dựa kết phân tích tác giả tiến hành xây dựng toán điều khiển để đáp ứng hệ thống 1.5 Mục tiêu nghiên cứu 1.5.1 Mục tiêu chung: Phát triển cấu phản hồi lực chiều với cấu chấp hành sử dụng lưu chất từ biến có đặc điểm sau: - Có thể phản hồi xác lực chiều lên tay người điều khiển - Giảm thiểu tối đa ảnh hưởng lực ma sát lên tay người điều khiển - Đánh giá khả đáp ứng hệ phản hồi lực 1.5.2 Mục tiêu cụ thể - Phát triển cấu hình phanh mới, cấu quay hai chiều sử dụng lưu chất từ biến nhằm mục đích giảm kích thước, khối lượng phanh, đồng thời tăng mô-men phanh cực sử dụng cấu phản hồi lực - Phát triển hệ thống phản hồi lực cấu haptic, tay máy bậc tự có phản hồi lực sử dụng phanh cấu quay hai chiều dùng lưu chất từ biến đề xuất 1.6 Phương pháp nghiên cứu cách tiếp cận - Phương pháp số: phương pháp đạo hàm bậc (phương pháp ANSYS), thuật tốn tiến hóa (Differentral Evolution), điều khiển kín PID, điều khiển đại (SMC, SISO, Noron, Fuzzy…) - Đối tượng nghiên cứu thiết bị sử dụng MRF áp dụng hệ thống điều khiển từ xa có phản hồi lực phanh, cấu quay hai chiều, ly hợp - Các kết lời giải so sánh với nghiên cứu trước 1.7 Tính đề tài - Cơ cấu hai chiều thay phanh ly hợp dùng MRF để giúp người điều khiển cảm nhận lực hệ thống trạng thái tĩnh, đồng thời loại bỏ ảnh hưởng ma sát đến độ xác hệ thống - Tập trung thiết kế, chế tạo cấu phản hồi lực dùng lưu chất MRF kiểu - Thiết kế tối ưu thơng số hình học cho cấu hai chiều, phanh quay phanh tịnh tiến dùng MRF với ràng buộc mô-men lực đầu lớn lực yêu cầu - Phân tích động lực học hệ thống phản hồi lực - Xây dựng mơ hình điều khiển cho hệ thống phản hồi lực đề xuất Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Các đặc tính MRF - Đặc tính từ tính tĩnh MRF đặc tính quan trọng để áp dụng cho thiết bị dựa MRF thường đặc trưng quan hệ mật độ từ thông với cường độ từ trường (B-H) độ trễ MRF, đặc trưng độ từ thẩm µ Độ từ thẩm µ tỉ lệ mật độ từ thông (B) cường độ từ trường (H) qua vật liệu 𝐵 = 𝜇 𝐻 (2-1) Với B: mật độ từ thơng; H: cường độ từ trường; µ: độ từ thẩm Trong thực tế độ từ thẩm µ khơng phải số nên quan hệ B H hàm phi tuyến [12] - Đặc tính độ nhớt: thể độ nhớt chất lỏng mật độ hạt từ tính Đây thông số lưu biến sử dụng để xác định hành vi ứng xử vật liệu phi Newton, độ nhớt MRF hàm thời gian [13] Phương trình độ nhớt : 𝜂𝑟 = + 2.5𝜙 (2-2) Trong ηr độ nhớt tương đối huyền phù 𝜙 thể tích chất hịa tan hạt hình cầu Theo Shook [15] mật độ tối đa hạt 𝜙𝑚𝑎𝑥 nên kết hợp mối quan hệ độ nhớt mật độ sau: ∅ 𝜂𝑟 = (1−∅)2.5∅𝑚𝑎𝑥 (2-3) - Độ bền tượng dày lên: sau thời gian làm việc lưu chất hồn tồn đặc tính ban đầu 2.2 Mơ hình tốn áp dụng cho MRF Mơ hình dẻo Bingham: τ = τy (H)sgn(γ̇ ) + ηγ̇ (2-4) Với (𝜏): ứng suất cắt, (𝜏𝑦 ): ứng suất chảy dẻo, (𝑆𝑔𝑛): hàm dấu, (𝜂): độ nhớt sau chảy dẻo, (𝛾̇ ): tốc độ cắt lưu chất Mơ hình dẻo Herschel-Bulkley: τ = (τy (H)sgn(γ̇ ) + K(γ̇ )1/m ) sgn(γ̇ ) (2-5) Các tính chất lưu biến MRF xác định công thức sau: 𝑌 = 𝑌∞ + (𝑌0 − 𝑌∞ )(2𝑒 −𝐵𝛼𝑆𝑌 − 𝑒 −2𝐵𝛼𝑆𝑌 ) (2-6) 2.3 Các dạng ứng dụng MRF - Chế độ dòng chảy (van): từ trường đưa từ ngồi vào có hướng vng góc với hướng dịng chảy để thay đổi tính chất lưu biến MRF nhằm kiểm sốt dịng chảy - Chế độ cắt: từ trường đặt vng góc hướng chuyển động bề mặt - Chế độ nén: hướng lực tác dụng lên hướng từ trường 2.4 Tính tốn mơ-men ma sát rãnh lưu chất MR Tác giả xét phanh xoay MRF có cấu tạo Hình 2.1a, vùng cần tính mơ-men bao gồm vùng I II 2.4.1 Mô-men ma sát sinh vùng I Xét phanh Hình 2.1 có đĩa quay với vận tốc  (vịng/phút), mơmen ma sát tức thời phần tử tác động lên phanh tính theo cơng thức [16]: 𝑑𝑇 = 2𝜋𝑟 𝜏𝑧𝜃 𝑑𝑟 + 2𝜋𝑟 𝜏𝑟𝜃 𝑑𝑧 (2-7) Để đơn giản việc phân tích tính tốn mơ-men cho phanh giả thiết sau áp dụng: dịng lưu chất khơng bị nén chuyển động ổn định theo lớp; bỏ qua tác dụng trọng lực lực ly tâm phần tử MRF; vận tốc hướng tâm hướng kính khơng; lưu chất xem tiếp xúc hoàn toàn với đĩa khơng bị trượt; khe lưu chất nhỏ nên dịng lưu chất xem phát triển hồn tồn, khơng tồn vùng rắn bỏ qua chuyển động dọc trục Khi phương trình (2-7) viết lại: 𝑟𝛺 𝑛 𝑑 𝑅 𝑅 𝑇 = 2𝜋 ∫𝑅 𝑜 𝑟 𝐾 ( ) 𝑑𝑟 + 2𝜋 ∫𝑅 𝑜 𝑟 𝜏𝑦 𝑑𝑟 𝑖 (2-8) 𝑖 Với giả thuyết mật độ từ thông qua khe lưu chất số giá trị trung bình mật độ từ thơng áp dụng thì: 𝑇= 2𝜋.𝜇𝑒𝑞 𝑅4 (𝑛+3)𝑑 2𝜋𝜏𝑦 𝑅 𝑛+3 ] + (𝑅03 𝑅0 [1 − ( 𝑖 ) + 𝑅𝑖3 ) (2-9) 2.4.2 Mô-men ma sát sinh vùng II Với tính chất mơ-men ma sát tác dụng lên mặt trụ ngồi đĩa tính [16]: 𝑇𝑎 = 2𝜋 𝑅02 𝑏𝑑 𝜏𝑅0 = 2𝜋 𝑅02 𝑏𝑑 𝐾0 ( 𝛺𝑅0 𝑛 𝑑0 ) (2-10) 2.4.3 Mô-men ma sát rãnh nghiêng Xét phanh có hình Hình 2.2, phần tử MRF tính tốn biểu diễn Hình 2.3 Từ mơ-men ma sát rãnh nghiêng tính sau: 1 𝜋 𝑑 𝑇𝐼𝑖 = 2𝜋 (𝑅𝑖2 𝑙 + 𝑅𝑖 𝑙 𝑠𝑖𝑛∅ + 𝑙 𝑠𝑖𝑛2 ∅) 𝜏𝑦𝐼𝑖 + 𝜋𝜇𝐼𝑖 (4𝑅𝑖3 + 6𝑅𝑖2 𝑙𝑠𝑖𝑛∅ + 4𝑅𝑖 𝑙 𝑠𝑖𝑛2 ∅ + 𝑙 𝑠𝑖𝑛3 ∅); (𝑖 = 1,3,5) (2-11) 2.4.4 Lực ma sát trượt phanh tuyến tính dùng MRF Xét phanh tuyến tính có cấu tạo Hình 2.4, Khi lực ma sát trượt phanh tuyến tính tính [17]: 𝑣 𝐹𝑠𝑚𝑟 = 2𝜋 𝑅𝑠 𝐿(𝜏𝑦 + 𝜇 ) = 2𝜋𝜇𝑅𝑠 𝐿𝑣 ⁄𝑑 + 2𝜋 𝑅𝑠 𝐿𝜏𝑦 (2-12) 𝑑 2.4.5 Mô-men ma sát phớt trục Đối với phanh quay Hình 2.2 mơ-men ma sát phớt chặn tính theo [18]: 𝑇𝑠𝑓 = 0,65(2𝑅𝑠 )2 𝛺1⁄3 (2-13) Tsf : mô-men sinh ma sát phớt với trục (Oz-in); Rs: bán kính trục (inch); Ω : tốc độ trục (vịng/phút) 2.5 Phương pháp giải tốn từ tính dùng lưu chất MR 2.5.1 Phương pháp giải tích Chúng ta biết mơ hình hóa hệ thống dựa MRF kết hợp phân tích điện từ phân tích hệ thống lưu chất [19] Để giải mơ hình hóa thiết bị dựa MRF trước hết phải giải mạch từ thiết bị dựa MRF Mạch từ phân tích định luật Kirchhoff từ tính sau: ∑ 𝐻𝑘 𝑙𝑘 = 𝑁𝑡𝑢𝑟𝑛𝑠 𝐼 (2-14) Trong Hk cường độ từ trường liên kết thứ k mạch từ; lk độ dài hiệu dụng liên kết; Nturns số vòng cuộn dây; I dòng điện áp dụng Các quy tắc bảo tồn từ thông mạch từ đưa bởi: 𝛷 = 𝐵𝑘 𝐴𝑘 (2-15) Với Φ từ thông mạch; Bk, Ak mật độ từ thơng diện tích mặt cắt ngang liên kết thứ k Đáng ý sử dụng nhiều liên kết kết tính tốn xác điều làm tăng chi phí tính tốn Ở từ trường thấp, mật độ từ thông Bk tỷ lệ thuận với cường độ từ trường Hk sau: 𝐵𝑘 = 𝜇0 𝜇𝑘 𝐻𝑘 (2-16) Trong μ0 độ thấm từ (μ0=4π.10 Tm/A) μk độ thẩm từ tương đối vật liệu liên kết thứ k -7 2.5.2 Phương pháp phần tử hữu hạn Đối với tốn mạch từ giải phương pháp giải tích, ta phải chia nhỏ mạch từ thành phần tương ứng có diện tích Ak chiều dài tương ứng lk Để tăng độ xác số lượng mạch từ cần chia nhỏ nhiều hơn, kết cuối khơng cải thiện Để có lời giải tối ưu cho tốn tác giả tích hợp phương pháp phần tử hữu hạn với công cụ tối ưu hóa Đó tích hợp cơng cụ phân tích phương pháp phần tử hữu hạn có phần mềm ANSYS với lời giải từ trường giúp ta tìm lời giải tối ưu cho tốn từ trường Trước tiên, giá trị biến khởi tạo (các thơng số hình học phanh MRF) xác định Thời gian tính tốn q trình tối ưu phụ thuộc nhiều vào giá trị khởi tạo này, giá trị khởi tạo biến thiết kế tính tốn trước dựa kinh nghiệm thực tế Thông thường, để xác định đặc tính hoạt động thiết bị, mật độ từ thơng qua thể tích làm việc MRF tính tốn Mật độ từ thơng khe lưu chất khơng phải số, tính tốn ta sử dụng giá trị trung bình chúng Giá trị trung bình từ thơng ngang qua khe lưu chất tính cách lấy tích phân mật độ từ thông dọc theo đường dẫn xác định trước chia cho chiều dài đường dẫn Ngồi ra, thơng số kích thước hình học thiết bị MRF thay đổi liên tục trình tối ưu, nên kích thước lưới mơ hình phần tử hữu hạn xác định số phần tử đường thẳng thay kích thước phần tử 2.6 Phương pháp giải tốn tối ưu - Thuật toán giảm độ dốc; phương pháp Newton; phương pháp tối ưu toàn cục; phương pháp đạo hàm bậc Chương PHÁT TRIỂN CƠ CẤU HAI CHIỀU CHO HỆ THỐNG PHẢN HỒI LỰC DÙNG MRF 3.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu Nguyen P B cộng [19] nghiên cứu, thiết kế chế tạo cấu joystick 2D có phản hồi lực, sử dụng cấu quay hai chiều dùng lưu chất MR Đối với hệ mơ-men ma sát khử hệ thống phản ánh mô-men nhỏ lên tay người điều khiển Tuy nhiên kết cấu phanh cịn lớn, mơ-men phản hồi 1,2 Nm Nguyen Q H cộng [20] phát triển cấu cổ tay cho hệ thống phản hồi lực áp dụng điều khiển từ xa hệ chủ động bị động Nghiên cứu có xem xét tới tối ưu hóa hình học MRB chưa thực nghiệm đánh giá hiệu phanh tang trống kiểm 3.2 Cơ cấu hai chiều 3.2.1 Nguyên lý cấu tạo Nhóm nghiên cứu đề xuất hai phương án: cấu hai chiều có cuộn dây bên Hình 3.1, hai cấu hai chiều có hai cuộn dây bên Hình 3.2 Nguyên lý hoạt động BMRA1 BMRA2 nhau, thể sau: trục dẫn động động AC servo thông qua hệ thống truyền lực bên làm hai trục quay tốc độ ngược chiều Hai đĩa gắn cố định với hai trục tương ứng quay tốc độ ngược chiều Khi có dịng điện đặt vào cuộn dây BMRA1 từ trường tương ứng tạo Ma sát MRF đĩa quay trục tạo mô-men đầu làm quay trục BMRA (cố định với vỏ) chiều với đĩa Tương tự cho cuộn dây BMRA1 trục dẫn động chiều quay với đĩa 3.2.2 Xác định mô-men đầu BMRA Mô-men xoắn đầu BMRA1 xác định: 𝑻𝒐𝟏 = 𝑇1 − 𝑇2 + 𝑇𝑠1 − 𝑇𝑠2 4 2𝜋𝜏𝑦𝑑11 2𝜋𝜏𝑦𝑑12 𝜋𝜇𝑑11 𝑅𝑐𝑖 𝑅𝑖 𝜋𝜇𝑑12 𝑅𝑐𝑜 𝑅𝑐𝑖 𝑻𝟏 = [1 − ( ) ]|𝜔1 | + (𝑅𝑐𝑖 − 𝑅𝑖3 ) + [1 − ( ) ]|𝜔1 | + (𝑅𝑐𝑜 − 𝑅𝑐𝑖 ) 2𝑡𝑔 𝑅𝑐𝑖 2𝑡𝑔 𝑅𝑐𝑜 + 𝜋𝜇𝑑13 𝑅𝑑 2𝑡𝑔 𝑻𝟐 = [1 − ( 𝑅𝑐𝑜 𝑅𝑑 ) ]|𝜔1 | + 2𝜋𝜏𝑦𝑑13 3 (𝑅𝑑3 − 𝑅𝑐𝑜 ) + 2𝜋𝑅𝑑2 𝑡𝑑 (𝜏𝑦𝑑14 + 𝜇𝑑14 |𝜔1 |𝑅𝑑 𝑡𝑔 ) (3-1) (3-2) 4 2𝜋𝜏𝑦𝑑21 2𝜋𝜏𝑦𝑑22 𝜋𝜇𝑑21 𝑅𝑐𝑖 𝑅𝑖 𝜋𝜇𝑑22 𝑅𝑐𝑜 𝑅𝑐𝑖 [1 − ( ) ]|𝜔2 | + (𝑅𝑐𝑖 − 𝑅𝑖3 ) + [1 − ( ) ]|𝜔2 | + (𝑅𝑐𝑜 − 𝑅𝑐𝑖 ) 2𝑡𝑔 𝑅𝑐𝑖 2𝑡𝑔 𝑅𝑐𝑜 + 𝜋𝜇𝑑23 𝑅𝑑 2𝑡𝑔 [1 − ( 𝑅𝑐𝑜 𝑅𝑑 ) ]|𝜔2 | + 2𝜋𝜏𝑦𝑑23 3 (𝑅𝑑3 − 𝑅𝑐𝑜 ) + 2𝜋𝑅𝑑2 𝑡𝑑 (𝜏𝑦𝑑24 + 𝜇𝑑24 |𝜔2 |𝑅𝑑 𝑡𝑔 (3-3) Trong To1 mơ-men đầu BMRA1, T1 T2 mô-men truyền động từ đĩa đĩa tới vỏ BMRA1, Ts1, Ts2 mô-men ma sát trục trục Tương tự cho BMRA2 Hình 3.4 mơ-men đầu tính sau: 𝑇𝑜2 = 𝑇d1 − 𝑇d2 + 𝑇𝑠1 − 𝑇𝑠2 4 2𝜋𝜏𝑦11 2𝜋𝜏𝑦12 𝜋𝜇11 𝑅𝑐𝑖1 𝑅𝑖 𝜋𝜇12 𝑅𝑐𝑜1 𝑅𝑐𝑖1 (𝑅𝑐𝑖1 − 𝑅𝑖3 ) + (𝑅𝑐𝑜1 − 𝑅𝑐𝑖1 ) 𝑇𝑑1 = [1 − ( ) ]|𝜔1 | + [1 − ( ) ]|𝜔1 | + 2𝑡𝑔 𝑅𝑐𝑖1 2𝑡𝑔 𝑅𝑐𝑜1 4 2𝜋𝜏𝑦13 2𝜋𝜏𝑦14 𝜋𝜇13 𝑅𝑐𝑖2 𝑅𝑐𝑜1 𝜋𝜇14 𝑅𝑐𝑜2 𝑅𝑐𝑖2 ) ) (𝑅𝑐𝑖2 − 𝑅𝑐𝑜1 (𝑅𝑐𝑜2 − 𝑅𝑐𝑜1 + [1 − ( ) ]|𝜔1 | + + [1 − ( ) ]|𝜔1 | + 2𝑡𝑔 𝑅𝑐𝑖2 2𝑡𝑔 𝑅𝑐𝑜2 + 𝜋𝜇15 𝑅𝑑 2𝑡𝑔 [1 − ( 𝑅𝑐𝑜2 𝑅𝑑 ) ]|𝜔1 | + 2𝜋𝜏𝑦15 3 ) (𝑅𝑑3 − 𝑅𝑐𝑜2 + 2𝜋𝑅𝑑2 𝑡𝑑 (𝜏𝑑16 + 𝜇16 |𝜔1 |𝑅𝑑 𝑡𝑔 ) (3-4) (3-5) 4 2𝜋𝜏𝑦21 2𝜋𝜏𝑦22 𝜋𝜇21 𝑅𝑐𝑖1 𝑅𝑖 𝜋𝜇22 𝑅𝑐𝑜1 𝑅𝑐𝑖1 (𝑅𝑐𝑖1 − 𝑅𝑖3 ) + (𝑅𝑐𝑜1 − 𝑅𝑐𝑖1 ) [1 − ( ) ]|𝜔1 | + [1 − ( ) ]|𝜔1 | + 2𝑡𝑔 𝑅𝑐𝑖1 2𝑡𝑔 𝑅𝑐𝑜1 4 2𝜋𝜏𝑦23 2𝜋𝜏𝑦24 𝜋𝜇23 𝑅𝑐𝑖2 𝑅𝑐𝑜1 𝜋𝜇24 𝑅𝑐𝑜2 𝑅𝑐𝑖2 ) ) (𝑅𝑐𝑖2 − 𝑅𝑐𝑜1 (𝑅𝑐𝑜2 − 𝑅𝑐𝑜1 + [1 − ( ) ]|𝜔1 | + + [1 − ( ) ]|𝜔1 | + 2𝑡𝑔 𝑅𝑐𝑖2 2𝑡𝑔 𝑅𝑐𝑜2 𝑇𝑑2 = + 𝜋𝜇25 𝑅𝑑 2𝑡𝑔 [1 − ( 𝑅𝑐𝑜2 𝑅𝑑 ) ]|𝜔1 | + 2𝜋𝜏𝑦25 3 ) (𝑅𝑑3 − 𝑅𝑐𝑜2 + 2𝜋𝑅𝑑2 𝑡𝑑 (𝜏𝑑26 + 𝜇26 |𝜔1 |𝑅𝑑 𝑡𝑔 Đối với mô-men ma sát trục trục hai trường hợp tính theo cơng thức (2-18): 𝑇𝑠1 = 0,65(2𝑅𝑠1 )2 𝜔 1⁄3 , 𝑇𝑠2 = 0,65(2𝑅𝑠2 )2 𝜔 1⁄3 (3-6) (3-7) 3.2.3 Thiết kế tối ưu cho BMRA Khối lượng BMRA xác định gần sau: 𝑚𝑏 = 𝑉𝑑1 𝜌𝑑 + 𝑉𝑑2 𝜌𝑑 + 𝑉ℎ 𝜌ℎ + 𝑉𝑠1 𝜌𝑠 + 𝑉𝑠2 𝜌𝑠 + 𝑉𝑚𝑟 𝜌𝑚𝑟 + 𝑉𝑐 𝜌𝑐 (3-8) Trong 𝑉𝑑1 , 𝑉𝑑2 , 𝑉ℎ , 𝑉𝑠1 , 𝑉𝑠2 , 𝑉𝑚𝑟 , 𝑉𝑐 tương ứng thể tích hình học đĩa 1, đĩa 2, vỏ BMRA, trục 1, trục 2, lưu chất MR cuộn dây, thông số d, h, s, mr, c khối lượng riêng tương ứng với thể tích hình học cơng thức Trong q trình tính tốn tối ưu kích thước hình học quan trọng chiều cao cuộn dây (hc BMRA1 hc1, hc2 BMRA2), chiều rộng cuộn dây (wc), bán kính ngồi đĩa (Rd), bán kính đĩa (Rdi), vị trí cuộn dây vỏ (Rci BMRA1 Rci1, Rci2 BMRA2), độ dày đĩa (td), bề dày vỏ hình trụ (t0), bề dày bên ngồi vỏ (th) chọn làm biến thiết kế (chọn tg= 0,8 mm; tw= 0,6 mm) Trong nghiên cứu này, phân tích phần tử hữu hạn (FEA) để giải mạch từ BMRA Hình 3.4 cho thấy mơ hình phần tử hữu hạn sử dụng phần tử đối xứng trục 2D (PLANE 13) phần mềm ANSYS thương mại để giải mạch từ BMRA Trong trình tối ưu, giá trị kích thước hình học thay đổi liên tục lần lặp Do kích thước chia lưới xác định số phần tử dòng để đảm bảo số phần tử khơng thay đổi q trình tối ưu hóa Để so sánh hiệu cấu đề xuất việc tối ưu hóa BMRA_[21] xem xét nghiên cứu mơ hình phần tử hữu hạn thể Hình 3.3 Hình 3.3 Mơ hình BMRA_[21] Hình 3.4 Mơ hình BMRA1 BMRA2 Hình 3.5 cho biết kết tối ưu BMRA mô-men truyền tối đa bị hạn chế lớn Nm với độ xác 2% số vòng lặp đặt 40 Từ Hình 3.5a, ta thấy tối ưu hóa hội tụ vịng lặp thứ 40 khối lượng khối lượng BMRA_[21] 3,21kg mô-men xoắn đầu 4,96 Nm, gần với yêu cầu Đối với BMRA1 thể Hình 3.5b giá trị tối ưu hóa hội tụ vịng lặp thứ 38, khối lượng 2,64 kg mô-men xoắn đầu gần Nm theo yêu cầu Kết BMRA2 thể Hình 3.5c cho thấy hội tụ sau 40 vịng lặp với khối lượng đạt 2,1kg mô-men xoắn đầu 4,98 Nm So sánh mô-men xoắn truyền với mô-men xoắn đầu ra, quan sát thấy mô-men xoắn truyền từ đĩa cao chút so với mô-men xoắn đầu (7,4% trường hợp BMRA_[21], 13% trường hợp BMRA1 7% trường hợp BMRA2) Rõ ràng chênh lệch mô-men xoắn trường hợp BMRA_[21] nhỏ so với BMRA1 sử dụng phân tách từ Tuy nhiên, khơng có phân tách từ khác biệt mơ-men trường hợp BMRA2 nhỏ BMRA_[21] Hình 3.5 Giải pháp tối ưu hóa BMRA Kết tối ưu tóm tắt Bảng 3.1 cơng suất tiêu thụ trường hợp BMRA_[21] cao so với BMRA1 Nguyên nhân điện trở cuộn dây trường hợp BMRA_ [21] 3,49 Ω, cao so với cuộn dây 3,2 Ω Mặc dù điện trở cao hơn, số lượng cuộn dây trường hợp BMRA_[21] nhỏ so với BMRA1 Điều cuộn dây trường hợp BMRA_[21] đặt vỏ hình trụ bên ngồi nên chiều dài cuộn dây phải dài Công suất tiêu thụ BMRA2 cao chút so với BMRA_[21] trường hợp hai cuộn dây, nhiên khối lượng kích thước giảm đáng kể Bảng 3.1 Kết tối ưu BMRA với Tb = Nm Loại BMRA Biến thiết kế tc=6,3; hc=6,1; La1=5.0; La2=0,5; n=119; Ri=36,3; BMRA_[21] Ro=50,2; td=11,9, R=61,8, t0=3,8; th=3,1; L=32,2 wc=5,6; hc=7,65; Rci=40,7, n=34; Ri=21,5; R0=52,8; BMRA1 td=4,2; R=55,6; t0=2; th=5,83; L=34,8 wc1=wc2= 4,25; hc1=7,4; hc2=6,2; Rci1=29; Rci2=47,5 n1=97; BMRA2 n2=81; Ri=20; R0=56,6; td=4, R=59,4; to=2; th=3,2; L=24,3 Đặc tính hoạt động Tmax = 4,96 Nm; mmax = 3,21kg P = 21,8 W; Rc = 49 Ω Tmax = 4,97 Nm; mmax = 2,64 kg P = 19,8W; Rc= 3,2 Ω Tmax = 4,98 Nm; mmax = 2,1 kg P = 24 W; Rc1=1,68 Ω; Rc2=2,16 Ω Từ thông buộc phải chạy qua ống dẫn MRF trường hợp BMRA đề xuất, thấy vấn đề từ thông cổ chai xảy vỏ hình trụ bên ngồi BMRA_[21], cần phải có vỏ hình trụ dày dẫn đến thể tích lớn khối lượng tăng Ngoài ra, phân cách từ sử dụng từ thông bị rị rỉ sang phía bên BMRA_ [21] Bằng cách sử dụng hai cuộn dây lẫn nhau, tạo từ trường lẫn cục bộ, rị rỉ từ thơng BMRA2 chí cịn BMRA_[21] Đồng thời thấy mật độ từ thơng ống dẫn hình trụ BMRA đề xuất nhỏ so với BMRA_[21] Tuy nhiên mật độ từ thông ống dẫn mặt cuối BMRA đề xuất cao đáng kể so với BMRA_[21] Do đó, BMRA đề xuất, mô-men xoắn chủ yếu truyền qua ống dẫn mặt cuối MRF a) BMRA_[21] b) BMRA1 c) BMRA2 Hình 3.6 Phân bố mật độ từ thông BMRA Để khảo sát đặc tính BMRA hàm mơ-men đầu cực đại, giải pháp tối ưu với giá trị khác mô-men đầu yêu cầu thể Hình 3.7 Với kết từ Hình 3.7a cho thấy mơ-men xoắn đầu yêu cầu lớn nhất, khối lượng BMRA_[21] cao khối lượng BMRA đề xuất Với việc sử dụng cấu hình cuộn dây kép, khối lượng BMRA giảm đáng kể, đặc biệt mô-men xoắn đầu cao Công suất tiêu thụ BMRA tối ưu hóa hàm mơ-men xoắn đầu thể Hình 3.7b Mức tiêu thụ điện BMRA2 cao BMRA khác mức tiêu thụ điện BMRA1 nhỏ BMRA_[21] Việc tiêu thụ điện cao BMRA gây số vấn đề nhiệt độ làm việc cao, giảm hiệu suất MRF cần lưu ý lựa chọn cấu hình BMRA cho phù hợp Bán kính ngồi BMRA tối ưu hóa hàm mơ-men xoắn đầu trình bày Hình 3.7c Ở thấy bán kính ngồi BMRA_[21] cao đáng kể so với bán kính BMRA1 BMRA2 mô-men xoắn đầu lớn (5 Nm) Ở giá trị mô-men xoắn đầu yêu cầu nhỏ (-0,218 Nm) a) BMRA_x đĩa (4-25) b) BMRA_x đĩa Hình 4.21 Dịng điện hàm mơ-men BMRA_x Đối với trục Y kết thử nghiệm mơ-men đầu BMRA_y hàm dòng điện áp dụng thể Hình 4.22 Có thể thu nghịch đảo mô-men đầu so với dòng áp dụng theo cách tương tự thể Hình 4.23 Bằng cách áp dụng đường cơng bậc dịng điện áp dụng cho cuộn dây BMRA_y tính từ mơ-men đầu cách: 𝐼𝑦 = −(0,1927 + 0,9302𝑇𝑦 + 0,2115𝑇𝑦2 + 0,0252𝑇𝑦3 ) (Ty  -0.22 Nm) (4-26) (4-27) 𝐼𝑦 = 0,1958 + 0,72954𝑇𝑦 − 0,18798𝑇𝑦2 + 0,0261𝑇𝑦3 (Ty > -0.22 Nm) a) BMRA_y đĩa b) BMRA_y đĩa Hình 4.22 Mơ-men BMRA_y hàm dịng điện áp a) BMRA_y đĩa b) BMRA_y đĩa Hình 4.23 Dịng điện hàm mơ-men BMRA_y Để đánh giá lực tác động LMRB hàm dòng điện áp dụng cho cuộn dây trước hết động servo AC không hoạt động tay cầm cố định theo hướng thẳng đứng Một dòng điện điều khiển máy tính đưa vào cuộn dây Sau đó, trục LMRB di chuyển vào/ra lực theo hướng Z đo cảm biến lực 3D Chú ý hai lực tác động vào/ra đo độ lớn chúng tính giá trị trung bình độ lớn lực vào, Hình 4.24a cho thấy lực tác động LMRB hàm dòng điện Chúng ta thấy cường độ dòng điện 2,5 A đặt vào, độ lớn lực đo 25,3 N lực mơ phỏng 24,98 N, điều có nghĩa kết mô phỏng kết đo chấp nhận Lực trạng thái đo 5,35 N lực mô phỏng 4,95 N Tại dịng điện 2,0 A đặt vào độ lớn lực tác động 23,0 N, lớn lực cực đại cần thiết Hình 4.24b cho thấy dòng điện áp dụng (từ 0-2A) cho cuộn dây dạng hàm số với độ lớn trung bình lực hướng vào/ra LMRB Sử dụng đường công xấp xỉ bậc dịng điện đặt vào cuộn dây tính từ độ lớn lực tác động sau: 𝐼𝑏 = −0,99805 + 0,24302|𝐹𝑏 | − 0,01246|𝐹𝑏 |2 + 0,000329|𝐹𝑏 |3 , (|𝐹𝑏 | > 5,35 𝑁) 𝐼𝑏 = 𝑘ℎ𝑖 |𝐹𝑏 | < 5,35 𝑁 Hình 4.24 Kết thực nghiệm LMRB 16 (4-28) (4-29) 4.2.6 Điều khiển phản hồi lực cho hệ xúc giác 3D 4.2.6.1 Thiết kế điều khiển vòng hở cho hệ xúc giác 3D Để điều khiển lực phản hồi mong muốn đến người vận hành tác giả tiến hành xây dựng điều khiển vịng hở Hình 4.25 cho thấy lưu đồ để ghi nhận lực phản hồi tiếp tuyến cần thiết vị trí cần Vị trí góc trục cần điều khiển đo mã hóa góc, chiều dài cần điều khiển đo đo tuyến 𝑇 tính (LVDT) Vị trí núm thao tác xác định bởi: 𝑟𝑝 = [𝑥𝑝 , 𝑦𝑝 , 𝑧𝑝 ] = 𝑅[0,0, 𝑙]𝑇 (4-30) Trong R tổng ma trận xoay cần với hệ tọa độ toàn cục Chú ý thời gian lấy mẫu ∆𝑡 = 0,01(𝑠) Khi ma trận R viết lại sau: 𝑅(𝑡 + ∆𝑡) = 𝑅(∆𝑡)𝑅(𝑡) (4-31) Khi 𝑅(∆𝑡) tính gần sau: 𝑅(∆𝑡) = 𝑅𝑑∅𝑥 𝑅𝑑∅𝑦 𝑐𝑑∅𝑦 =[ −𝑠𝑑∅𝑦 𝑠𝑑∅𝑥 𝑠𝑑∅𝑦 𝑐𝑑∅𝑥 𝑐𝑑∅𝑦 𝑠𝑑∅𝑥 𝑐𝑑∅𝑥 𝑠𝑑∅𝑦 −𝑠𝑑∅𝑥 ] [ 𝑐𝑑∅𝑥 𝑐𝑑∅𝑦 −𝑑∅𝑦 𝑑∅𝑥 𝑑∅𝑦 −𝑑∅𝑥 ] (4-32) Hình 4.25 Bộ điều khiển hở cho lực phản hồi tiếp tuyến Sau vị trí núm vận hành xác định, ma trận Jxy tính theo cơng thức (4-28) Từ lực phản xạ mong muốn (Fx2, Fy2) thông số vị trí núm, mơ-men đầu BMRA (Tx,Ty) xác định công thức (4-20) Để ghi nhận mơ-men đầu cần thiết, dịng điện áp dụng cho cuộn dây BMRA_x tính theo cơng thức (4-24) (4-25), dòng điện áp dụng cho cuộn dây BMRA_y tính tốn theo công thức (4-26) (4-27) Thông thường lực phản hồi điều khiển riêng biệt Hình 4.26 Từ ta thấy lực pháp tuyến mong muốn (Fz2), lực hãm LMRB (Fb) xác định Fb = Fz2 Để ghi nhận lực phanh cần thiết ta cấp dòng điện cho cuộn dây LMRB tính cơng thức (4-27) Hình 4.26 Bộ điều khiển hở cho lực phản hồi thông thường Các điều khiển vòng hở thực cho cần điều khiển kết thực nghiệm thu thập trình bày Trong thí nghiệm này, lực mong muốn phản hồi dạng hình sin thực Bước đầu tiên, núm vận hành cố định vị trí tùy ý lực phản hồi theo hướng x2 y2 đo cảm biến lực 3-DOF kết cho Hình 4.27 Lưu ý trường hợp này, lực bình thường (Fz2) đo gần khơng tay cầm cố định khơng có thao tác thực để di chuyển tay cầm dọc theo LMRB Theo kết Hình 4.27 lực tiếp tuyến phản hồi đo tương đối tốt so với lực mong muốn Tuy nhiên có độ Hình 4.27 Kết thực nghiệm trễ khoảng 30ms so với giá trị mong muốn Điều chủ yếu có độ trễ học phản ứng mơ-men xoắn BMRA, quan sát Hình 4.22 Bước thứ 2, từ vị trí ban đầu (xp=0, yp=0, zp=200 mm), chuyển động tùy ý tay cầm thực lực cố gắng từ người vận hành đo cảm biến lực 3D, kết trình bày Hình 4.28 Với kết ta thấy độ trễ khoảng 30ms giá trị đo với giá trị mong muốn 17 So với kết trường hợp tay cầm cố định, lực tiếp tuyến trường hợp có thay đổi cao chút Điều rõ ràng chuyển động không ổn định tay cầm Đối với lực pháp tuyến, ta thấy hệ khơng thể phản xạ lực có độ lớn nhỏ 5,3 N lực ma sát ngồi trạng thái nói bên Tại thời điểm người vận hành thay đổi hướng chuyển động tay cầm, có bước nhảy từ giá trị lực phản hồi không, điều thay đổi hướng lực đo Nói chung lực phản hồi đo trường hợp không trơn tru trường hợp lực tiếp tuyến chủ yếu đến từ chuyển động không ổn định tay cầm vận hành tay Tóm lại phần nghiên cứu có số kết đạt được: - Một hệ thống phản hồi lực 3D có chế 2Dgimbal kết hợp hai thiết bị truyền động từ biến lưu biến hai chiều (BMRA) MRB tuyến tính (LMRB) thiết kế, chế tạo thử nghiệm; - Thiết kế tối ưu thông số hình học BMRA LMRB thực hiện; Hình 4.28 Kết thực nghiệm lực phản hồi hệ 3D - Các kết thử nghiệm đặc tính hiệu suất BMRA LMRB sát với kết mơ phỏng; - Một thuật tốn điều khiển hở áp dụng điều khiển cho cần điều khiển 3D; - Lực tiếp tuyến tuyến tính mong muốn đáp ứng tốt theo yêu cầu; - Độ trễ hệ thống khoảng 30 ms 4.2.6.2 Thiết kế điều khiển vòng kín cho hệ xúc giác 3D Điều giải thích mơ-men ma sát khác hai đầu vào Cần phải bù không trước xác định mơ hình tốn học BMRA Từ kết thực nghiệm với dòng điện đầu vào bước, mô-men xoắn đầu sử dụng để xác định mơ hình tốn học phần mềm MATLAB Đáp ứng bước kết nhận dạng hệ thống BMRA đưa Hình 4.29 Điều thấy khác biệt mô-men xoắn đo mô-men xoắn nhận dạng thỏa thuận tốt Mơ hình BMRA xác định là: 𝑎𝑇̈ + 𝑏𝑇̇ + 𝑇 = 𝑢(𝐼) (4-33) Trong đó: 𝑎 = 1⁄26590 ; 𝑏 = 2452⁄26590 𝑢(𝐼) = 0.01025 − 0.53308 ∗ 𝐼 − 1.63852 ∗ 𝐼 + 0.42608 ∗ 𝐼 (T mơ-men mong muốn, I dịng điện áp dụng) Tương tự kết nhận dạng hệ thống đáp ứng bước LMRB đưa Hình 4.30 Mơ hình hệ thống LMRB áp dụng sau: 𝑎𝐹̈ + 𝑏𝐹̇ + 𝐹 = 𝑢(𝐼) Với: 𝑎 = 1/649.5, 𝑏 = 60.69/649.5; 𝑢(𝐼) = 5.01899 + 9.75739𝐼 + 1.28363𝐼2 − 0.796𝐼3 (4-34) F(N) lực mong muốn, I(A) dòng điện áp dụng Hình 4.29 Đáp ứng bước BMRA Hình 4.30 Đáp ứng bước LMRB Như trình bày quan hệ lực tác dụng cục núm điều khiển với lực/mô-men tác động (mô-men đầu BMRA lực phanh LMRB) tính theo công thức (4-14) Cần lưu ý lực phản hồi pháp tuyến lực tắt dần tách khỏi lực tiếp tuyến Do phương trình (4-14) viết sau: 𝑇𝑥 𝐹𝑥2 [𝑇 ] = −[𝐽𝑇 𝑅]22 [𝐹 ] ; 𝐹𝑏 = 𝐹𝑧2 𝑦 𝑦2 (4-35) Với −[𝐽𝑇 𝑅]22 ma trận 2x2 ma trận −[𝐽𝑇 𝑅] 18 Khi thơng số hệ xúc giác 3D xác định theo công thức trình bày phần cụ thể khoảng cách cần điều khiển (𝑟𝑃 ), ma trận JXY, R, Tx, Ty, lực mong muốn Fx2, Fx2 Nhóm tiếp tục xây dựng điều khiển vịng kín để phản ảnh lực phản hồi mong muốn cho người vận hành trình bày Hình 4.31 Hình 4.31 Sơ đồ điều khiển vịng kín cho lực mong muốn Thiết kế điều khiển PID cho lực phản hồi Trong điều khiển PID dịng điện xác định sau:𝐼(𝑡) = 𝑘𝑝 𝑒(𝑡) + 𝑘𝑖 ∫ 𝑒 (𝑡) + 𝑘𝑑 𝑒̇ (𝑡) (4-36) Ở kp, ki, kd giá trị tỷ lệ, tích phân đạo hàm, e sai số giá trị đầu vào Bảng 4.6 Thông số điều chỉnh kp, ki,, kd BMRA_x kp=10 BMRA_y kp=9 LMRB kp=9 ki=0.00006 ki=0.00007 ki=0.00007 kd=0.00008 kd=0.00007 kd=0.0002 Thiết kế điều khiển SMC cho lực phản hồi Tổng quát ta có: 𝑎𝑇̈ + 𝑏𝑇̇ + 𝑇 = 𝑢(𝐼) Đặt 𝑇 = 𝑥1 ; 𝑥2 = 𝑥̇ = 𝑇̇ 𝑥̇ = 𝑥2 𝑢 𝑥 𝑏𝑥 𝑥̇ = 𝑎 − 𝑎1 − 𝑎 + ∆ (4-37) (4-38) [𝑥1 𝑥2 ] vectơ trạng thái, u điều khiển đầu vào; a, b tham số xác định từ nhận dạng hệ thống, nghiên cứu tác giả lấy 𝑎 = 1/26590, 𝑏 = 2452/26590; ∆: bao gồm độ nhiễu không chắn hệ thống Mặt trượt xác định bởi: 𝑠 = 𝑐𝑒 + 𝑒̇ (4-39) Trong e sai số xác định: 𝑒 = 𝑥𝑑 − 𝑥 xd: giá trị mong muốn; x: giá trị đo được; c: hệ số độ dốc mặt tượt Mặt trượt định nghĩa sau: 𝑢 = 𝑎 [−𝑘𝑠𝑖𝑔𝑛(𝑠) − 𝑐𝑒̇ + 𝑥̇ + 𝑥1𝑑 𝑎 + 𝑏𝑥2𝑑 ] 𝑎 (4-40) Tính ổn định hệ thống sử dụng hàm Lyapunov sau: 𝑉 = 𝑠2 𝑉̇ = 𝑠𝑠̇ = 𝑠(𝑐𝑒̇ + 𝑒̈ ) = 𝑠(−𝑘𝑠𝑖𝑔𝑛(𝑠) + ∆) < 𝑘 > |∆| Bảng 4.7 Thông số điều chỉnh c, k BMRA_x c =0.0015 k=14 BMRA_y c=0.0014 k=197 LMRB c=0.0017 k=10 Kết thực nghiệm Hình 4.32 Kết thực nghiệm phản hồi lực theo PID 19 Hình 4.33 Kết thực nghiệm phản hồi lực theo SMC Hình 4.32 Hình 4.33 biểu diễn kết điều khiển lực phản hồi theo điều khiển PID SMC tần số 3Hz hàm sin tương ứng Đối với điều khiển SMC cho kết lực mong muốn tốt với sai số nhỏ 8%, nhỏ PID Lực theo dõi PID dao động liên tục xung quanh lực mong muốn gây liên tục dòng điện truyền động Điều dễ hiểu hệ thống có nhiễu cấu không ổn định, PID giải tất nhược điểm Tuy nhiên, dòng điện đầu vào điều khiển SMC mượt mà điều khiển PID Bên cạnh đó, điều khiển lực cấu truyền động SMC theo dõi tốt với lực mong muốn Người ta giải thích SMC hạn chế nhiễu, khơng chắn thay đổi hệ thống Trong hai điều khiển, thấy lực thực tế Fz theo dõi lực yêu cầu với lực yêu cầu nhỏ 5.3N, gây lực trạng thái LMRB Trong nghiên cứu này, hệ thống Haptic 3D xây dựng cách sử dụng truyền động MR Thứ nhất, BMRA LMRB phân tích tối ưu hóa để có kích thước hình học tối ưu Các nguyên mẫu thiết kế sản xuất Mơ hình tốn học cấu chấp hành cung cấp cách sử dụng nhận dạng hệ thống MATLAB Phương trình động học hệ thống 3D suy để xác định mô-men xoắn yêu cầu BMRA Bộ điều khiển PID SMC thiết kế triển khai cho hệ thống thực Kết cho thấy SMC phù hợp PID việc kiểm soát lực hệ thống xúc giác Hạn chế hệ LMRB có lực ngồi trạng thái lớn nên ảnh hưởng tới khả phản hồi hệ thống Chương PHÁT TRIỂN TAY MÁY 3D PHẢN HỒI LỰC DÙNG LƯU CHẤT TỪ BIẾN 5.1 Cấu tạo tay máy Từ nhu cầu nhóm nghiên cứu phát triển tiếp hệ thống phản hồi lực 3D đề xuất Hình 5.1 Đồng thời sơ đồ chuỗi động học tay máy phản hồi lực thể Hình 5.2 Từ kích thước khơng gian làm việc cần thiết, phù hợp sản xuất hệ thống phản hồi tác giả đưa kích thước hệ thống phản hồi lực Hình 5.3 5.2 Thiết kế phanh cho hệ thống phản hồi 3-DOF 5.2.1 Thiết kế phanh quay Nhóm nghiên cứu đề xuất kết cấu phanh có đĩa phanh hình Hình 5.4 Mục đích tăng bề mặt tiếp xúc MRF với đĩa phanh vỏ phanh từ cho mơ-men lớn giảm khối lượng đáng kể tác giả đề xuất theo Hình 5.5 Từ nguyên lý cấu tạo phanh quay rãnh nghiêng cách tính mơ-men đầu phanh chia hai dạng tính mơ-men thành đứng (tương ứng với vị trí Ei) tương ứng với bán kính thành nghiêng (tương ứng với vị trí Ii) biểu diễn Hình 5.5 20 Khi mơ-men phanh tính gần bởi: 𝑇𝑏 = 2(𝑇𝐸0 + 𝑇𝐸2 + 𝑇𝐸4 + 𝑇E6 + 𝑇𝐸8 + 𝑇E10 + 𝑇𝐼1 + 𝑇I3 + 𝑇I5 + 𝑇𝐼7 + 𝑇𝐼9 ) + 𝑇𝑐 + 2𝑇𝑓𝑠 (5-1) Khi thành phần mơ-men TEi, TIi Tc phanh xác định sau: 𝑇𝐸𝑖 = 𝜋𝜇𝐸𝑖 𝑅𝑖+1 2𝑑 𝑅𝑖 [1 − (𝑅 𝑖+1 ) ]𝛺 + 2𝜋𝜏𝑦𝐸𝑖 (𝑅 𝑖+13−𝑅𝑖3 ), (𝑖 = 0,2,4,6,8,10) (5-2) 𝑇𝐼𝑖 = 2𝜋 (𝑅𝑖2 𝑙 + 𝑅𝑖 𝑙 𝑠𝑖𝑛𝜙 + 𝑙 𝑠𝑖𝑛2 𝜙) 𝜏𝑦𝐼𝑖 (5-3) 𝜋 + 𝜋𝜇𝐼𝑖 𝑑 (4𝑅𝑖3 + 6𝑅𝑖2 𝑙𝑠𝑖𝑛𝜙 + 4𝑅𝑖 𝑙 𝑠𝑖𝑛2 𝜙 + 𝑙 𝑠𝑖𝑛3 𝜙); (1,3,5,7,9) 𝑇𝑐 = 2𝜋𝑅11 (𝑏 + 2ℎ)(𝜏𝑦𝑐 + 𝜇𝑐 𝛺𝑅11 ) 𝑑 (5-4) Với 𝑅𝑖 bán kính điểm thứ i cấu hình đĩa, 𝑙 chiều dài khe nghiêng,  góc nghiêng, h chiều cao Trong nghiên cứu này, ứng suất độ nhớt MRF hàm mật độ từ thông áp dụng ống MRF xấp xỉ [22]: 𝑌 = 𝑌∞ + (𝑌0 − 𝑌∞ )(2𝑒 −𝐵𝛼𝑆𝑌 − 𝑒 −2𝐵𝛼𝑆𝑌 ) (5-5) Mô-men ma sát trục phớt tính gần sau: 𝑇𝑠 = 0.65(2𝑅𝑠 )2 𝛺1⁄3 (5-6) Đối với phanh hai yếu tố mơ-men khối lượng hai mục tiêu thường trái ngược lại quan trọng thiết kế tính tốn phanh MRF, đặc biệt hệ thống phản hồi lực, khối lượng phanh nhỏ tốt, cho kích thước nhỏ gọn chi phí thấp Tuy nhiên, kích thước nhỏ làm giảm mơ-men xoắn phanh Khối lượng nhỏ phanh: 𝑚𝑏 = 𝑉𝑑 𝜌𝑑 + 𝑉ℎ 𝜌ℎ + 𝑉𝑠 𝜌𝑠 + 𝑉𝑀𝑅 𝜌𝑀𝑅 + 𝑉𝑐 𝜌𝑐 Với hai điều kiện ban đầu: 𝑇𝑏 ≥ 𝑇𝑏𝑟 ; giới hạn biến thiết kế: 𝑥𝑖𝐿 ≤ 𝑥𝑖 ≤ 𝑥𝑖𝑈 , (5-7) (i = 1, … n) Trong 𝑉𝑑 , 𝑉ℎ , 𝑉𝑠 , 𝑉𝑀𝑅 𝑉𝑐 tương ứng thể tích đĩa, thân vỏ, trục, lưu chất MR cuộn dây phanh, 𝜌𝑑 , 𝜌ℎ , 𝜌𝑠 , 𝜌𝑀𝑅 𝜌𝑐 khối lượng riêng đĩa, vỏ, trục, MRF cuộn dây; 𝑥𝑖𝐿 𝑥𝑖𝑈 giới hạn biến thiết kế hình học tương ứng 𝑥 i phanh MRF; n số lượng biến thiết kế Tbr mô-men xoắn cần thiết phanh Mật độ từ thơng khe hở MRF hiển thị Hình 5.6 Tương tự phanh khác tối ưu hóa khoảng cách khe lưu chất MR (tw) khơng xem biến thiết kế, xác định theo kinh nghiệm 0.6mm, độ dày thành mỏng vỏ lấy 1mm kích thước dây đồng có đường kính 0,511mm, dịng điện áp dụng tối đa khoảng I=3A Tuy nhiên, q trình tối ưu hóa dịng điện 2,5A đưa vào cuộn dây có xem xét tới điều kiện làm việc an toàn Cũng cần lưu ý tỷ lệ lấp đầy cuộn dây lấy 70%, tổn thất từ tính giả định 10% dựa kinh nghiệm thực nghiệm Kết chạy tối ưu thể Hình 5.7, từ ta thấy mơ-men giới hạn 10Nm yêu cầu 8Nm, tốt độ hội tụ đặt 0.1% Từ Hình 5.7b ta thấy hội tụ xảy sau vòng lặp thứ 30, thời điểm khối lượng phanh 1,03 kg, khối lượng phanh giảm đáng kể so với phanh có bề mặt phẳng nghiên cứu Đồng thời phân bố mật độ từ MRB đồng thể Hình 5.7a Giá trị biến thiết kế hiệu suất phanh thể Bảng 5.1 21 Bảng 5.1 Kết tối ưu phanh quay MRF Đặt tính hoạt động Biến thiết kế wc=5,52; hc=15,8; nc=233; R=34,5; L=35,8, th=4,6, tw=1,0; Ri=10, Tbmax=10 Nm; Ttĩnh=0.1 Nm Rd=31,2, Rs=6, td=2; h=2,6; tw1=3,2; tw2=4,6 m = 1,03 kg; P=37 W; Rc= 2,9  5.2.2 Thiết kế phanh tuyến tính Trong phần tác giả chọn lại kết cấu phanh lực hãm F= 40N sau chế tạo mơ hình cho hệ thống tay máy đề xuất Mơ hình phần tử hữu hạn thể Hình 5.8 kết tối ưu với yêu cầu lực hãm lớn 40N đạt thể Hình 5.9 Bảng 5.2 Kết tối ưu LMRB Biến thiết kế wcl=1,5; hcl=11,3; ch1=3,7; ch2=5,0, nc=386; R=21,8, L=39,2; tw=0,5; Rsl=5,0; tg=0,6 Hình 5.8 Mơ hình phần tử hữu hạn Đặc tính hoạt động Fmax=40 N; m = 0,46 kg; Ft=6.0N; Pw =11,5 W;Rc= 2,5  Hình 5.9 Kết tối ưu F=40N 5.3 Hoàn thiện hệ thống thực nghiệm Hệ thống mơ hình thí nghiệm tồn hệ thống tay máy 3D biểu diễn Hình 5.10 Từ ta đo giá trị mơ-men phanh mô-men hãm đo phanh MR quay khớp hông (phanh MR 01) biểu diễn theo Hình 5.11 Trong trình thực nghiệm, cánh tay xoay quanh khớp thắt lưng giá trị trung bình lực giá trị khác dòng điện đưa vào ghi lại Tương tự cho phanh MR khớp thắt lưng (phanh MR 02), mô-men phanh phanh MR khớp vai đánh giá thực nghiệm kết thể Hình 5.12, lưu ý thực nghiệm cánh tay phải xoay quanh trục khớp vai Hình 5.13 cho thấy lực hãm phanh MR tuyến tính giá trị dòng điện đưa vào Trong trường hợp này, cánh tay cố định theo hướng ngang trục phanh MR di chuyển qua lại Qua kết mô-men trục ta thấy khả đáp ứng tất phanh tốt, nhiên có số thời điểm việc đáp ứng chưa tốt ổn định hệ thống hay thao tác vận hành 5.4 Thiết kế điều khiển cho hệ phản hồi lực Với hệ phản hồi lực trước hết tác giả thiết kế điều khiển vòng hở để phản ánh lực mong muốn cho người vận hành Đối với hai lực tiếp tuyến (hơng vai) điều khiển mơ tả theo Hình 5.14, lực hướng kính điều khiển mơ tả theo Hình 5.15 Ở thơng số đầu vào lực mong muốn góc xác định vị trí hệ thống Từ thông tin mã hóa giá trị góc độ () bán kính cánh tay r xác định, 22 lúc mơ-men xoắn phanh hơng MRF tính theo cơng thức (5-8), mơ-men phanh MRF vai tính theo cơng thức (5-9): 𝑇𝑤 = 𝐹ℎ 𝑟 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑇𝑠ℎ = 𝐹𝑒 𝑟 (5-8) (5-9) Hình 5.14 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển cho lực tiếp tuyến Hình 5.15 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển cho lực bán kính Trong phương trình trên, Fh lực tiếp tuyến ngang (khớp hong) mong muốn Fe lực tiếp tuyến độ cao (khớp vai) mong muốn Để đạt mô-men hãm với tính tốn, dịng điện áp dụng cho cuộn dây xác định từ kết thử nghiệm Hình 5.11, Hình 5.12 Có thể thấy mơ-men phanh phanh MRF gần bão hịa áp dụng dịng điện lớn 1,5 A Do đó, ta sử dụng dòng điện I