CHƯƠNG 1 TỎNG QUAN VÈ VẤN ĐÈ NGHIÊN cứu 1.1 Tổng quan về cơ cấu mềm Bistable Các cơ chế có thể ổn định là các cơ chế có hai vị trí cân bằng ổn định trong phạm vi chuyển động của chúng, ưu điểm của nó bao gồm khả năng duy trì ở hai vị trí mà không cần nguồn điện vào và bất chấp những nhiễu loạn nhỏ bên ngoài, hoạt động không khớp, không ma sát,. Do khả năng này, các cơ chế có thể gập lại được ứng dụng trong nhiều thiết bị, chẳng hạn như công tắc, van, nắp đậy và móc cài [9]. Cơ cấu Bistable hoạt động bền bỉ nhờ cơ chế tích trữ năng lượng và giải phóng chúng. Và cơ cấu có thể bẻ gập được nhờ sự uốn dẻo của các chân thay vì sử dụng các cơ cấu truyền động truyền thống.
Cơ cấu là một đại diện cho các cơ cấu phức tạp bởi lẽ Bistable có thể tích hợp cả việc chuyển động và năng lượng. Ngoài ra, lợi thế của Bistable còn là giảm so lượng bộ phận, giảm ma sát, ít phản ứng mạnh và ít mài mòn [10-11].1 Cơ cấu mềm Bistable được tạo bằng nhựa ABS [5] Hình 1.1 cho thấy Cơ cấu mem Bistable thường tồn tại ở 2 trạng thái cân bằng. Trạng thái thứ nhất được gọi là trạng thái ổn định thứ nhất, ở trạng thái này cơ cấu không chịu các ứng suất do các thanh chi của cơ cấu được duỗi thẳng. Trạng thái thứ hai được gọi là trạng thái ổn định thứ 2, ở trạng thái này cơ cấu chịu một số các loại ứng suất như ứng suất nén và ứng suất tại ngàm.1 chúng ta thấy, hình bên phải thì các chi của cơ cấu được duỗi thẳng tức có nghĩa cơ cấu đang ổn định không chịu ứng suất.
Ở hình bên trái, các chi của cơ cấu bị biến dạng do ứng suất nội của cơ cấu 5 Hình 1.2 ứng dựng cơ cấu mềm Bistable trong MEMS [4] Sự quan tâm đến các cơ chế Bistable gần đây cũng đã tăng lên do những ưu điểm của hành vi ồn định kép trong nhiều hệ thống cơ điện vi mô (MEMS). Các cơ cấu bistable có thể cho phép MEMS được thiết kế với hiệu suất năng lượng tăng lên và độ chính xác và độ chính xác được cải thiện trong định vị. Đặc biệt là các ứng dụng vi mô như pin vi mô, pin mặt trời, các cơ chế vi mô, định vị có thễ lặp lại [1 -4]. Các cơ cấu Bistable có thề nhỏ gọn so với các cơ cấu khác, do đó giảm được trọng lượng.
Chúng có thể cho hệ thống kiểm tra và lặp lại được nhiều lần. Các ưu điểm khác của cơ cấu là nó chỉ cần năng lượng đề di chuyền từ trạng thái này sang trạng thái khác chứ không cần năng lượng để giữ các trạng thái do đó tiết kiệm được rất nhiều năng lượng, ở một số ngành công nghiệp quan trọng như hàng không vũ trụ thì những yêu cầu như trọng lượng nhẹ, chính xác, độ an toàn cao là những yêu cầu bắt buộc, cho nên cơ cấu Bistable thường được ứng dụng vào những nền công nghiệp này 1.2 ứng dụng của cơ cấu mềm Bistable Khi thay đỗi trạng thái, cơ cấu Bistable chỉ tốn rất ít thời gian để chuyển đỗi trạng thái. Do đó cơ cấu có khả năng tạo ra lực rất lớn và có thể được thiết kế sao cho yêu cầu lực rất nhỏ để chuyển đổi trạng thái và tạo ra được lực cao hon. Và một ưu điểm nữa là cơ cấu có thể lặp đi lặp lại trạng thái nhiều lần.3 Cơ chế kích hoạt của cơ cấu Bistabe bằng điện từ [ 12] Việc kích hoạt lực ban đầu để sang trạng thái thứ hai có thể được kích hoạt bằng từ tính.3 , tác giả sử dụng nguồn điện 3 đến 12V để tạo ra lực tuyến tính điện từ để thể hiện kiểu kích hoạt này.
Trong nguyên mẫu, một nam châm điện kéo đẩy đã được sử dụng. Tuy nhiên, một thiết bị như bộ truyền động điện từ sẽ lý tưởng hơn cho thiết kế cuối cùng do hiệu quả cao hơn của nó. Nguyên mẫu được in 3D, nam châm điện cung cấp một lực 8,9 N ở khoảng cách 1,6 mm (0,063 in). Nguyên mẫu được thiết kế sao cho nam châm điện sẽ cung cấp lực vừa đủ để đưa cơ chế vào vị trí đã chế tạo từ vị trí ổn định thứ hai.
Với tính ổn đinh cao và thời gian dịch chuyển nhanh. Cơ cấu bistabe còn được ứng dụng trong những cơ cấu cắt.3 thể hiện cho một hệ thống cắt dựa trên cơ cấu bistable. Với thiết kế bằng nhựa, hệ thống cắt này có thể tạo ra một lực cắt 400N. Cơ chế này có thể ứng dụng vào các hệ thống cắt cáp cho hệ thống hàng không vũ trụ khi mà yêu cầu độ cắt chính xác và vết cắt hoàn thiện yêu cầu rất cao [ 12] Hình 1.4 Nguyên mẫu cho cơ cấu cắt dựa trên cơ cấu Bistable [ 12] Để tăng thêm phần cứng cáp cho cơ cấu, người ta còn ứng dụng việc tăng số chi của cơ cấu này.
Người ta đã thiết kế tăng số chi của cơ cấu từ 4 chi lên 7 12 chi. Việc tăng số chi này có nhiều ưu điểm như việc áp dụng cơ cấu này vào hệ thống cắt. Bởi vì trong quá trình di chuyển từ vị trí ổn đỉnh này sang vị trí ổn định kia, cơ cấu sẽ tạo ra một lực rất mạnh để có thể cắt được. Nhưng ngược lại việc tăng số chi của cơ cấu đòi hỏi lực tác động ban đầu cũng tăng lên để kích hoạt được cơ cấu.
Mặc dù hiện nay có những loại vật liệu thông minh như vật liệu nhớ hình hoặc các vật liệu dùng nhiệt để kích hoạt. Nhưng đối với cơ cấu Bistable thì chỉ cần lực tác động nhỏ thì đã có thể kích hoạt cơ cấu sang trạng thái thứ hai. Đây là một trong những phương pháp kích hoạt đơn giản nhất. Tuy nhiên, việc thiết kế các cơ cấu bistable thường không đơn giản hoặc dễ dàng, đòi hỏi phải phân tích đồng thời cả chuyển động và lưu trữ năng lượng của cơ cấu.
Bởi vì các cơ cấu phải lưu trữ và giải phóng năng lượng trong quá trình chuyển động của chúng, các phân đoạn thường phải dịch chuyển lớn, phi tuyến tính, gây ra ứng suất cao và khó phân tích phi tuyến tính. Phân tích phi tuyến thường bao gồm việc giải các phương trình vi phân phi tuyến để dự đoán chính xác chuyển động của các đoạn chuyển động.3 Một số nghiên cứu về cơ cấu mềm Bistable Bài báo "Design and Experimental Verification of a Novel Bistable Mechanism for Positioning Applications" của Soonhuie Ryu, Byungjin Kim và Sungho Jo trình bày về việc thiết kế và chứng minh thực nghiệm một cơ cấu bistable mới được sử dụng trong các ứng dụng vị trí. Cơ cấu bao gồm hai thanh và hai móc được kết nối với nhau bởi bốn chốt trượt, chúng có khả năng giữ hai trạng thái ổn định vị trí khác nhau. Các tác giả đã thực hiện mô hình hóa, tối ưu hóa cơ cấu bistable và thiết kế một mô-đun đóng mở tiêu chuẩn dựa trên cơ cấu bistable.
Sau đó, họ đã tiến hành thử nghiệm và chứng minh rằng cơ cấu bistable mới hoạt động tốt trong các ứng dụng vị trí của các robot và các bộ điều khiển vị trí khác. Kết quả cho thấy rằng cơ cấu bistable mới này có thể sử dụng hiệu quả trong các ứng dụng vị trí cần giữ vị trí ổn định mà không cần áp dụng lực duy trì vững chắc. Bài báo cũng đề cập đến những ứng dụng tiềm năng của cơ cấu bistable này trong các lĩnh vực khác như robot hỗ trợ cho người cao tuổi hay người khuyết tật. [13] Bài báo "Mechanism reliability of bistable compliant mechanisms considering degradation and uncertainties: Modeling and evaluation method" của Vu Tuan Anh, Masahiro Watanabe và Naoto Ohtake trình bày về phương pháp đánh giá độ tin cậy của cơ cấu bistable linh hoạt trong điều kiện khắc nghiệt của quá trình sử dụng.
Bài báo tập trung vào việc xây dựng một mô hình đánh giá sự đáng tin cậy của cơ cấu bistable, bao gồm các yếu tố như sự suy thoái và không chắc chắn trong quá trình sử dụng. Các tác giả đã tiến hành mô phỏng và đánh giá hiệu suất của cơ cấu bistable dựa trên mô hình bộ dem Markov và phương pháp Monte Carlo. Ket quả cho thấy rằng, việc xem xét sự suy thoái và không chắc chắn trong quá trình sử dụng đã ảnh hưởng đáng kể đến độ tin cậy của cơ cấu bistable. Bài báo cũng đề xuất phương pháp thiết kế và nâng cao độ tin cậy của cơ cấu bistable bằng cách tối ưu hóa các thông số kỹ thuật và kiểm tra chất lượng sản phẩm.
Bài báo này có ý nghĩa quan trọng đối với việc đánh giá và cải thiện độ tin cậy của cơ cấu bistable trong các ứng dụng thực tế, đặc biệt là trong các lĩnh vực y tế, công nghiệp và an ninh.5 Mô hình bản lề dựa trên cơ cấu bistable [14] Bài báo "Kinetostatic Modeling of Fully Compliant Bistable Mechanisms Using Timoshenko Beam Constraint Model" của Zhang-Wei Zhu và Yong-Sheng Tian trình bày về phương pháp mô hình hóa các cơ cấu bistable linh hoạt bằng cách sử dụng mô hình ràng buộc để tính toán các tham số động học. Bài báo tập trung vào việc phát triển một mô hình động học mới cho cơ cấu bistable, sử dụng mô hình ràng buộc của Timoshenko Beam để tính toán các tham số động học và các giá trị ràng buộc của vật liệu. Các tác giả đã tiến hành các thí nghiệm và phân tích để đánh giá hiệu quả của phương pháp này và so sánh với các phương pháp truyền thống khác. Kết quả cho thấy rằng, phương pháp này cung cấp các giá trị động học chính xác hơn so với các phương pháp truyền thống và có thể được sử dụng để thiết kế và tính toán các ứng dụng cơ cấu bistable với độ chính xác cao.
Bài báo này có ý nghĩa quan trọng trong việc cải tiến phương pháp tính toán và mô hình hóa các cơ cấu bistable linh hoạt, đặc biệt là trong các ứng dụng robot và các hệ thống cơ khí khác.ố Nguyên mẫu của một cơ cấu Bistable có ố chi đối xứng nhau [15] Trong rất nhiều cơ cấu mềm được phát triền, cơ cấu mềm Bistable được chế tạo và úng dụng rộng rãi trong đời sống lẫn công nghiệp sản xuất [16] [17]. Đây là cơ cấu có nguyên lý luôn ổn định ỏ' hai vị trí khác nhau, ví dụ, kẹp tóc, cái kìm làm từ vật liệu đàn hồi.