CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 4: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ TỐI ƯU HÓA CƠ CẤU CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ TỐI ƯU HÓA BỘ ĐỊNH VỊ 2 BẬC TỰ DO SỬ DỤNG CƠ CẤU MỀM CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 2.1 Tổng quan về đề tài 2. Khớp mềm Khớp mềm thường có cấu tạo đơn giản và có tính linh hoạt, nhờ tính chất đàn hồi của vật liệu mà nó cho phép kết nối linh hoạt các chi tiết với nhau với một số độ lệch nhất định. Khớp nối linh hoạt có được thiết kế thiết kế nhỏ gọn và vượt trội hơn so với khớp nối truyền thống, điều này vô cùng hữu ích trong việc sử dụng ở nơi có không gian hạn hẹp. Khớp mềm được sử dụng nhiều ở mảng máy móc thiết bị, hàng không và nhiều lĩnh vực khác yêu cầu độ chính xác là điều quan trọng.
Khớp mềm cung cấp các liên kết giống như khớp nối truyền thống nhưng giải quyết được các hạn chế của chúng. Nhờ có kết nối linh hoạt các chi tiết với nhau với một số độ lệch nhất định để nó có thể bù trừ cho sai lệch về vị trí giữa các bộ phận, đảm bảo hoạt động ổn định và chính xác. Do đó tăng hoạt động, độ chính xác do loại bỏ khe hở và tránh được mài mòn trong quá trình sử dụng làm tăng tuổi thọ cho hệ thống. Cơ cấu mềm Cơ cấu mềm (compliant mechanism) là hệ thống không được kích hoạt bởi các khớp nối thông thường mà là các các cơ chế linh hoạt, có thể uống cong để chuyển đổi một lực đầu vào hoặc biến dạng thành những chuyển động mong muốn thông qua việc dùng độ đàn hồi của vật liệu.
Cơ cấu này thay thế một số cơ cấu cơ học truyền thống. Việc loại bỏ các khớp nối cũ giúp hạn chế sự rung động, hoạt động yên tĩnh, không cần bôi trơn. 4 Cơ cấu mềm được thiết kế bằng cách ghép những khớp mềm thành một cơ cấu thống nhất, có thể thích ứng cao và có cấu trúc nhỏ gọn. Chúng được sử dụng trong rất nhiều mảng và mở ra nhiều tiềm năng trong nhiều mảng khác nhau, bao gồm robot, thiết bị y khoa, máy móc thiết bị công nghiệp và còn nhiều ứng dụng ở những lĩnh vực khác.
Các loại khớp mềm Nhờ vào sự đa dạng khớp mềm được chia thành hai loại [10,11]. Sơ đồ mô tả các loại khớp mềm 5 Hình 2.3: Dạng mặt cắt của của các loại khớp mềm kiểu Notch 6 Hình 2.4: Các dạng khớp mềm đơn giản Hình 2.5: Các dạng khớp mềm phức tạp Khớp mềm một trục là cơ cấu cho phép chuyển động uốn cong hoặc lật quanh một trục duy nhất mà không bị hạn chế quá mức. 7 Khớp mềm hai trục là loại khớp cho phép chuyển động quanh hai trục vuông góc với nhau. Khớp này thường được thiết kế để linh hoạt trong hai hướng khác nhau, cho phép các bộ phận kết nối có thể chuyển động tự do trong một mặt phẳng hoặc theo hai hướng chính.
Khớp mềm nhiều trục được cấu tạo từ hai hay nhiều khớp mềm đơn giản, là loại khớp cho phép chuyển động linh hoạt quanh nhiều trục khác nhau, thường là ba trục hoặc hơn. Khớp này cung cấp khả năng linh hoạt cao hơn, cho phép chuyển động trong nhiều hướng và mặt phẳng khác nhau. Ưu và nhược điểm khớp mềm và cơ cấu mềm Ưu điểm: - Hoạt động êm ái: Cấu tạo của khớp mềm loại bỏ ma sát và mài mòn, giảm thiểu hao mòn giúp kèo dài tuổi thọ của khớp nối và các chi tiết liên quan. Ngoài ra, khớp được thiết kế kín giúp ngăn chặn bụi bẩn, nước và hóa chất xâm nhập vào bên trong.
Do không có ma sát giúp loại bỏ tiếng ồn và rung động. - Dễ lắp đặt và bảo trì, bảo dưỡng dễ dàng: Nhờ có thiết kế đơn giản và dễ dàng lắp đặt, giúp tối ưu chi phí và thời gian bảo trì, bảo dưỡng. - Cấu trúc nguyên khối, không lắp ráp: Cấu trúc nguyên khối và có thể được thiết kế với khả năng chịu tải cao, chống va đập tốt để có thể sử trong các môi trường khắc nghiệt với tải trọng lớn mà không bị hư hỏng. - Hiệu suất cao: Do không có ma sát và mài mòn, khớp mềm giúp duy trì hiệu suất làm việc ổn định và hiệu quả cao trong thời gian dài.
- Chuyển động chính xác cao: Nhờ vào cấu trúc nguyên khối không lắp ráp và có khả năng biến dạng đàn hồi giúp cho việc truyền động chính xác hơn, phù hợp trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác. - Khả năng thích ứng cao: cơ cấu mềm có thể linh hoạt và đa năng, dễ dàng làm việc trong môi trường phức tạp và không gian hạn chế. - Nhờ những ưu điểm này, khớp mềm được ứng dụng phổ biến trong gia công cơ khí chính xác, robot, và các hệ thống tự động hóa. Nhược điểm: - Hạn chế về khả năng tải trọng: Cơ cấu mềm thường có giới hạn về khả năng chịu tải trọng lớn so với các cơ cấu cứng truyền thống, do chúng dựa vào sự biến dạng của vật liệu để hoạt động.
- Phụ thuộc vào độ bền vật liệu: vật liệu dùng để chế tạo cơ cấu mềm có thể bị mỏi hoặc hư hỏng sau một thời gian dài sử dụng, đặc biệt khi phải chịu đựng các biến dạng lớn và liên tục. 8 - Giới hạn về vật liệu chế tạo: cơ cấu mềm cần được chế tạo bằng vật liệu có tính đàn hồi cao và đôi khi vật liệu có thể đắt đỏ và khó chế tạo vì vậy không phải tất cả các loại vật liệu đều phù hợp - Độ ổn định của cơ cấu: cơ cấu mềm cần tránh các tác nhân gây hại để duy trì độ ổn định. Ngoài ra, thiết kế không tối ưu và vật liệu không đảm bảo cũng sẽ ảnh hưởng đến ổn định của cơ cấu. Tóm lại cơ cấu mềm có rất nhiều ưu điểm nỗi bật nhưng song song đó cũng tồn tại những nhược điểm.
Trong cuộc sống Hàng hóa tranh đua lẫn nhau dẫn đến những yêu cầu về sản phẩm ngày càng hiện đại, tiện dụng hơn. Không ngoại lệ nhờ phát triển mới trong lý thuyết, những sự phát triển về vật liệu có độ bền cao trong công nghệ in 3D đã làm cho các ứng dụng về khớp mềm phát triển nhanh chóng. a) Nắp chai b) Kẹp giấy Hình 2.6: Vật dụng hàng ngày ứng dụng cơ cấu mềm [30, 31] b. Người máy Trong chế tạo robot, lò xo đóng nhiệm vụ quan trọng cho việc cung cấp linh hoạt và hấp thụ năng lượng, giúp robot dễ dàng thích nghi với môi trường.
Nhờ vậy, mà nó có thể thao tác các hoạt động cơ bản như nắm đồ vặt hay di chuyển tới những nơi không bằng phẳng.7: Cánh tay robot ứng dụng khớp mềm [3] c. Điện & điện tử Cơ cấu này đóng vai trò trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm công tắc, van đóng và chốt. Trong khi cần năng lượng bên ngoài để chuyển cơ cấu từ vị trí 1 sang vị trí 2, thì năng lượng để duy trì trạng thái ổn định yêu cầu ở cả 1 và 2. Các tác giả đã giữ lại được hình dáng quen thuộc của công tắc đèn truyền thống, làm cho cơ cấu này phù hợp với thị trường.8: Công tắc điện 2 chiều [4] d.
Giao thông vận tải Bộ ly hợp đóng vai trò to lớn đối với các mảng yêu cầu truyền mô men xoắn chỉ theo một hướng. Sử dụng khớp mềm trong bộ ly hợp giúp giảm số lượng cơ cấu hoạt động so với bộ ly hợp truyền thống. Điều này làm cho bộ ly hợp hoạt động êm ái, giảm sự hao mòn và nhu cầu bôi trơn, cũng như tối ưu giá thành lắp đặt.9: Bộ ly hợp [5] e. Y tế Cơ cấu mềm có nhiều ưu điểm trong lĩnh vực y học như linh hoạt, giảm thiểu tổn thương, ổn định và an toàn, góp phần vào các phương pháp điều trị và chăm sóc sức khỏe.
Nhờ những ưu điểm này mà nó được dùng từ phẫu thuật, chuẩn đoán hình ảnh, điều trị bệnh cho đến các thiết bị phục hồi chức năng.10: Những ứng dụng khớp mềm trong phẫu thuật [6] 11 f. Bộ định vị Trong nhiều ứng dụng thực hiện với vật liệu mỏng hoặc nano, các bộ định vị dựa trên cơ cấu mềm được dùng nhiều để đạt được độ chính xác cao trong định vị. Với cơ cấu mềm, bộ định vị có thể thích ứng với các bề mặt phức tạp và không đều của vật liệu, giúp định vị được một cách hiệu quả và đáng tin cậy. Ngoài ra, cơ cấu mềm còn giúp giảm thiểu lực tác động lên các cảm biến hoặc thiết bị đo đạc.11: Bố trí thí nghiệm thực tế [7] 2.
Những đặc tính và cấu tạo của thiết kế • Đặc tính: - Độ linh hoạt: Cơ cấu mềm có khả năng thay đổi hình dạng hoặc chuyển động dựa trên độ linh hoạt của vật liệu thay vì các khớp nối cơ học truyền thống. - Độ tin cậy cao: Do không có các khớp nối cơ học, cơ cấu mềm ít bị mài mòn và hỏng hóc hơn so với cơ cấu truyền thống. - Khả năng tiết kiệm không gian và trọng lượng: Nhờ thiết kế đơn giản và sử dụng vật liệu mềm, các cơ cấu này thường nhẹ hơn và tiết kiệm không gian hơn. - Hiệu suất cao: Các cơ cấu mềm có thể đạt hiệu suất chuyển động cao mà không cần đến các hệ thống phức tạp nhờ vào thiết kế tối ưu của chúng.
12 • Cấu tạo của sản phẩm: Thiết kế được chú trọng để có được chuyển vị lý tưởng nên đã thiết kế một cơ cấu có 7 đòn bẩy được thiết kế đối xứng, sử dụng hai loại khớp là elip và cầu để liên kết với nhau đồng thời dùng bản lề lá nối với đầu ra để đạt độ chuyển vị cao hơn. Bài báo trong và ngoài nước Năm 2023, Phạm và các cộng sự đã đề xuất một quy trình thiết kế phổ quát để định vị CMs (compliant mechanisms), bao gồm hai bước: thiết kế tối ưu mô hình thân giả cứng và thiết kế tối ưu hóa đa mục tiêu tích hợp độ tin cậy bằng cách sử dụng Thuật toán NSGA-II. Thuật toán tối ưu hóa này được áp dụng trong việc thiết kế cơ cấu truyền động cấp liệu cho vi cơ khí. Kết quả hỗ trợ một cách thuyết phục khả năng áp dụng thuật toán tối ưu hóa được đề xuất cho thiết kế của các CMs định vị chính xác khác dễ bị hỏng trong các điều kiện dễ bị tổn thương.