Đề Tài Thiết Kế Chế Tạo Hệ Thống Phản Hồi Lực 3 Chiều Bằng Phanh Lưu Chất Từ Biến

• Đề tài: Thiết Kế và Chế Tạo Hệ Thống Phản Hồi Lực 3 Chiều Bằng Phanh Lưu Chất Từ Biến

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Sự cần thiết của nghiên cứu
• 1.3. Mục tiêu
• 1.4. Nội dung nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ VỀ LƯU CHẤT MRF
• 2.1. Giới thiệu về lưu chất từ biến MRF
• 2.2. Các thành phần chính của MRF
• 2.3. Nguyên lý hoạt động của MRE
• 2.4. Các đặc tính của MRF
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN TỐI ƯU HÓA PHANH LƯU CHẤT TỪ BIẾN MRF
• 3.1. Cấu tạo của phanh lưu chất từ biến MRF
• 3.2. Mô hình toán học của phanh MRF
• 3.3. Thiết kế tối ưu cho các phanh MRF
• 3.3.1. Bài toán tối ưu hóa
• 3.3.2. Phương pháp tối ưu hóa
• 3.3.3. Kết quả tối ưu hóa
• 4. CHƯƠNG 4: XÁC ĐỊNH DẠNG SẢN XUẤT
• 4.1. Mục đích xác định dạng sản xuất
• 4.2. Xác định các thông số kỹ thuật của chi tiết
• 4.3. Chọn phôi và phương pháp chế tạo phôi
• 4.4. Lập quy trình công nghệ gia công chi tiết trục
• 4.4.1. Thiết kế đồ gá cho nguyên công
• 4.4.2. Ý nghĩa của việc thiết kế đồ gá
• 4.4.3. Nguyên lý định vị và kẹp chặt của đồ gá
• 4.4.4. Xác định lực cắt và mô men
• 4.4.5. Nhiệm vụ chính của các bộ phận
• 4.4.6. Nguyên lý hoạt động của đồ gá
• 5. CHƯƠNG 5: LẮP RÁP VÀ THÍ NGHIỆM PHANH MRE
• 5.1. Quan dây và bơm MRE
• 5.2. Các bước lắp ráp và đo đạc phanh MRE
• 5.3. Đánh giá và kết luận
• LỜI MỞ ĐẦU
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU

I. Khám Phá Hệ Thống Phản Hồi Lực 3 Chiều và Phanh MRF

Trong bối cảnh Công nghiệp 4.0, tự động hóa và các hệ thống điều khiển từ xa ngày càng đóng vai trò cốt lõi. Các robot chuyên dụng hoạt động trong môi trường độc hại, khắc nghiệt là minh chứng rõ ràng cho xu hướng này. Tuy nhiên, một thách thức lớn của các hệ thống truyền thống là sự thiếu hụt thông tin phản hồi, đặc biệt là lực tương tác. Người vận hành không cảm nhận được lực tác động ở đầu cuối của robot, làm giảm độ chính xác và tính linh hoạt. Để giải quyết vấn đề này, đề tài “Thiết Kế và Chế Tạo Hệ Thống Phản Hồi Lực 3 Chiều Bằng Phanh Lưu Chất Từ Biến” ra đời. Hệ thống này ứng dụng một loại vật liệu thông minh đột phá là lưu chất từ biến (MRF) để tạo ra một thiết bị đầu cuối haptic có khả năng tái tạo lực một cách chân thực. Công nghệ này cho phép người điều khiển cảm nhận được lực cản, va chạm, hay kết cấu bề mặt từ xa, mở ra một kỷ nguyên mới cho tương tác người-máy. Cốt lõi của hệ thống là phanh MR, một cơ cấu chấp hành có ưu điểm vượt trội về tốc độ đáp ứng nhanh, tiêu thụ năng lượng thấp và khả năng tạo ra momen xoắn lớn trong một kết cấu nhỏ gọn. Việc nghiên cứu và phát triển thành công hệ thống này không chỉ khắc phục nhược điểm của các cơ cấu cũ mà còn cung cấp một giải pháp hiệu quả cho nhiều lĩnh vực, từ huấn luyện phẫu thuật, mô phỏng thực tế ảo (VR), đến các ứng dụng công nghiệp phức tạp.

1.1. Sự cần thiết của công nghệ haptic trong thời đại 4.0

Công nghệ haptic, hay công nghệ phản hồi xúc giác, là cầu nối quan trọng giúp con người tương tác với thế giới số một cách tự nhiên hơn. Trong các hệ thống điều khiển từ xa (teleoperation), việc thiếu đi phản hồi xúc giác giống như làm việc trong bóng tối, người vận hành phải phụ thuộc hoàn toàn vào thị giác. Điều này đặc biệt nguy hiểm trong các thao tác yêu cầu độ chính xác cao như phẫu thuật từ xa hay gắp đặt vật thể dễ vỡ. Sự ra đời của các hệ thống phản hồi lực giúp tái tạo cảm giác 'chạm' vật lý, mang lại thông tin trực quan về lực và momen, từ đó nâng cao đáng kể độ chính xác và sự an toàn cho người vận hành.

1.2. Giới thiệu về lưu chất từ biến MRF và tiềm năng

Lưu chất từ biến (MRF) là một loại vật liệu thông minh, bao gồm các hạt sắt từ siêu nhỏ phân tán trong dầu nền. Đặc tính nổi bật của nó là khả năng thay đổi độ nhớt gần như tức thời khi có từ trường tác động. Ở trạng thái bình thường, MRF là một chất lỏng. Khi đặt trong từ trường, các hạt sắt từ sẽ liên kết với nhau tạo thành các chuỗi, khiến lưu chất trở nên đặc sệt như gel. Hiệu ứng từ lưu biến này có thể điều khiển được, mạnh mẽ và phục hồi nhanh chóng. Nhờ những ưu điểm này, MRF trở thành vật liệu lý tưởng để chế tạo các cơ cấu chấp hành từ biến như phanh, ly hợp và giảm chấn, ứng dụng rộng rãi trong cơ điện tử và robot.

II. Thách Thức Khi Thiết Kế Hệ Thống Phản Hồi Lực 3 Chiều

Việc xây dựng một hệ thống phản hồi lực 3 chiều (3-DOF) hiệu quả đặt ra nhiều thách thức cả về lý thuyết và thực tiễn. Vấn đề cốt lõi là làm sao để tạo ra một cơ cấu nhỏ gọn nhưng có khả năng tạo ra lực đủ lớn, đáp ứng nhanh và điều khiển chính xác trên cả ba bậc tự do. Các hệ thống truyền thống sử dụng động cơ điện thường cồng kềnh, quán tính lớn và phức tạp trong điều khiển. Thêm vào đó, ma sát cố hữu trong các cơ cấu cơ khí cũng làm suy giảm độ chân thực của lực phản hồi. Nghiên cứu này tập trung giải quyết các bài toán này bằng việc sử dụng phanh lưu chất từ biến. Tuy nhiên, bản thân việc thiết kế phanh MR cũng có những khó khăn riêng. Bài toán đặt ra là phải tối ưu hóa thiết kế để đạt được momen phanh mục tiêu (ví dụ 5 Nm theo yêu cầu của đề tài) với khối lượng nhỏ nhất. Điều này đòi hỏi phải có một mô hình hóa hệ thống cơ điện tử chính xác, tính toán được sự phân bố của từ trường, ứng suất trượt của lưu chất và ảnh hưởng của các thông số hình học. Hơn nữa, việc chế tạo và lắp ráp đòi hỏi độ chính xác cao để đảm bảo các khe hở chứa lưu chất từ biến đúng với thiết kế, tránh rò rỉ và đảm bảo hiệu năng hoạt động ổn định.

2.1. Hạn chế của hệ thống điều khiển từ xa truyền thống

Các hệ thống chủ-tớ (master-slave) truyền thống thường chỉ truyền tín hiệu vị trí từ cơ cấu chủ đến cơ cấu tớ. Người vận hành không nhận được thông tin phản hồi về lực, momen hay các tín hiệu va chạm. Điều này dẫn đến việc điều khiển thiếu chính xác, dễ gây ra hư hỏng cho đối tượng thao tác hoặc cho chính robot. Vấn đề này đặc biệt nghiêm trọng trong các ứng dụng như y tế, nơi một thao tác sai lực có thể gây tổn thương cho bệnh nhân. Do đó, việc tích hợp phản hồi xúc giác không còn là một tùy chọn mà đã trở thành yêu cầu bắt buộc.

2.2. Vai trò của cơ cấu chấp hành từ biến trong mô phỏng lực

Để mô phỏng lực một cách trung thực, cơ cấu chấp hành cần có thời gian đáp ứng cực nhanh và khả năng điều khiển lực mượt mà. Cơ cấu chấp hành từ biến, đặc biệt là phanh MR, đáp ứng hoàn hảo các yêu cầu này. Không giống như động cơ, phanh MR không tự sinh ra chuyển động mà chỉ tạo ra lực cản có thể điều khiển được. Điều này giúp loại bỏ quán tính của động cơ và các hệ thống truyền động phức tạp, mang lại cảm giác phản hồi lực tự nhiên và trực tiếp hơn. Chúng hoạt động dựa trên việc thay đổi độ nhớt của lưu chất từ biến, cho phép điều chỉnh momen cản gần như tức thời thông qua dòng điện cấp vào cuộn dây.

III. Phương Pháp Thiết Kế Phanh Lưu Chất Từ Biến Tối Ưu

Để tạo ra một hệ thống phản hồi lực 3 chiều hiệu quả, trái tim của hệ thống là phanh lưu chất từ biến phải được thiết kế một cách khoa học. Quá trình này bắt đầu từ việc xây dựng một mô hình lý thuyết vững chắc. Dựa trên các đặc tính của lưu chất MRF, mô hình dẻo Bingham được sử dụng để mô tả mối quan hệ giữa ứng suất trượt và tốc độ trượt của lưu chất. Từ đó, các công thức toán học để tính toán momen đầu ra của phanh MR được thiết lập, có xét đến ảnh hưởng của ma sát trên các bề mặt đĩa và vỏ phanh. Tuy nhiên, việc thiết kế không chỉ dừng lại ở tính toán. Một bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu được đặt ra: làm sao để tối đa hóa momen phanh trong khi giảm thiểu khối lượng của toàn bộ cơ cấu. Đây là hai mục tiêu trái ngược nhau, đòi hỏi một phương pháp tiếp cận tiên tiến. Trong nghiên cứu này, phần mềm ANSYS Workbench đã được sử dụng. Bằng cách áp dụng thuật toán NLPQL (Nonlinear Programming by Quadratic Lagrangian), các biến thiết kế quan trọng như kích thước cuộn dây, bán kính đĩa, độ dày vỏ... được tự động điều chỉnh qua hàng chục vòng lặp để tìm ra cấu hình tối ưu. Kết quả của quá trình này là một bản thiết kế cơ khí chi tiết, đảm bảo phanh MR đạt được momen yêu cầu là 5 Nm với khối lượng chỉ 0.679kg.

3.1. Mô hình hóa hệ thống cơ điện tử và phanh MR

Việc mô hình hóa hệ thống cơ điện tử là bước đầu tiên và quan trọng nhất. Mô hình này bao gồm việc phân tích từ trường sinh ra bởi cuộn dây, sự phân bố từ thông qua lõi thép, đĩa phanh và các khe hở chứa lưu chất MRF. Phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (như ANSYS) được sử dụng để mô phỏng chính xác mật độ từ trường tại các vị trí quan trọng. Kết quả mô phỏng từ trường này sau đó được dùng làm đầu vào để tính toán ứng suất trượt trong lưu chất, từ đó xác định momen phanh.

3.2. Xây dựng mô hình toán học dựa trên mô hình dẻo Bingham

Chất lỏng MRF không tuân theo định luật Newton về độ nhớt. Thay vào đó, nó được mô tả hiệu quả bằng mô hình dẻo Bingham, với phương trình: τ = τ₀(B) + ηγ. Trong đó, τ là ứng suất trượt, τ₀(B) là ứng suất chảy phụ thuộc vào từ trường B, η là độ nhớt dẻo và γ là tốc độ trượt. Dựa trên mô hình này, momen phanh tổng được tính bằng cách tích phân ứng suất trượt trên toàn bộ bề mặt làm việc của đĩa phanh. Mô hình toán học này là cơ sở để thực hiện bài toán tối ưu hóa thiết kế.

IV. Hướng Dẫn Chế Tạo Hệ Thống Phản Hồi Lực Từ A Z

Từ bản vẽ thiết kế tối ưu, quá trình chế tạo thực tế hệ thống phản hồi lực 3 chiều được tiến hành. Đây là giai đoạn chuyển đổi từ lý thuyết sang sản phẩm vật lý, đòi hỏi sự chính xác và tuân thủ quy trình công nghệ nghiêm ngặt. Dựa trên phân tích dạng sản xuất hàng loạt lớn, vật liệu được lựa chọn là thép C45, một loại vật liệu phổ biến, có cơ tính tốt và phù hợp cho gia công cơ khí. Phương pháp chế tạo phôi được chọn là đúc trong khuôn kim loại để đảm bảo năng suất cao và độ chính xác hình học ban đầu, giảm lượng dư gia công. Quy trình công nghệ gia công chi tiết trục, một thành phần quan trọng của phanh MR, được lập chi tiết qua nhiều nguyên công như tiện thô, tiện tinh, khoan. Mỗi nguyên công đều được tính toán chế độ cắt (tốc độ, lượng ăn dao) và thiết kế đồ gá chuyên dụng để đảm bảo độ đồng tâm và độ chính xác kích thước. Sau khi gia công các chi tiết cơ khí, bước tiếp theo là lắp ráp. Cuộn dây đồng (136 vòng) được quấn cẩn thận và đặt vào vỏ phanh. Lưu chất từ biến được bơm vào các khe hở, đồng thời trục phanh được xoay đều để đảm bảo lưu chất phân bố đồng nhất. Việc lắp ráp phải đảm bảo độ kín khít tuyệt đối để tránh rò rỉ MRF, một yếu tố quyết định đến sự ổn định và tuổi thọ của hệ thống.

4.1. Lựa chọn vật liệu và phương pháp chế tạo phôi tối ưu

Vật liệu cho các chi tiết chính như trục và đĩa phanh được chọn là thép C45. Đây là loại thép carbon trung bình có độ bền, độ cứng phù hợp và dễ nhiệt luyện. Với sản lượng tính toán là 11960 chi tiết/năm, dạng sản xuất được xác định là hàng loạt lớn. Do đó, phương pháp đúc trong khuôn kim loại được ưu tiên hơn so với các phương pháp khác như rèn hay gia công từ phôi cán. Phương pháp này cho năng suất cao, phôi có hình dạng gần với chi tiết cuối cùng, giúp tiết kiệm vật liệu và giảm thời gian gia công.

4.2. Quy trình công nghệ gia công chi tiết trục phanh C45

Quy trình gia công trục được tối ưu hóa qua 5 nguyên công chính. Bắt đầu bằng việc vạt mặt và khoan tâm hai đầu để tạo chuẩn định vị. Sau đó, các bề mặt trụ được tiện theo nhiều bước (thô, bán tinh, tinh) trên máy tiện vạn năng T616, sử dụng hai mũi chống tâm để đảm bảo độ đồng tâm cao. Nguyên công cuối cùng là khoan 4 lỗ trên mặt bích. Mỗi bước đều được tính toán chế độ cắt chi tiết và sử dụng đồ gá phù hợp để đảm bảo độ chính xác và năng suất. Việc tuân thủ quy trình này là yếu tố then chốt để tạo ra một chi tiết cơ khí hoàn hảo cho hệ thống 3-DOF.

V. Kết Quả Thực Nghiệm Hệ Thống Phản Hồi Lực 3 Chiều

Sau khi hoàn thành chế tạo và lắp ráp, hệ thống phản hồi lực 3 chiều được đưa vào kiểm tra thực nghiệm để đánh giá hiệu năng. Một mô hình thí nghiệm chuyên dụng được thiết lập, bao gồm động cơ dẫn động, cảm biến lực (cảm biến momen), bộ nguồn điều khiển dòng điện và chính bộ phanh MR cần đo. Nguyên lý hoạt động của mô hình là động cơ quay với tốc độ ổn định, truyền chuyển động qua cảm biến tới trục phanh. Bằng cách cấp các mức dòng điện khác nhau vào cuộn dây của phanh, lực cản (momen phanh) tạo ra sẽ được cảm biến momen ghi lại và hiển thị trên máy tính. Kết quả thực nghiệm được thể hiện qua các biểu đồ momen theo thời gian ứng với các dòng điện từ 0.5A đến 2.5A. Các biểu đồ cho thấy momen phanh tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện cấp vào, minh chứng cho khả năng điều khiển lực của hệ thống. Quan trọng nhất, ở mức dòng điện cao, momen phanh đo được đã đạt và vượt qua giá trị mục tiêu 5 Nm. Mặc dù có một số biến thiên nhỏ do quá trình quấn dây không hoàn toàn đồng đều, nhưng nhìn chung cả ba bộ phanh được chế tạo đều hoạt động ổn định và đáp ứng đúng yêu cầu thiết kế, khẳng định tính khả thi của dự án.

5.1. Thiết lập mô hình thí nghiệm và quy trình đo đạc momen

Mô hình thí nghiệm bao gồm các thành phần chính: Động cơ 24VDC, cảm biến momen quay, bộ nguồn lập trình, bộ chuyển đổi tín hiệu USB và đồ gá chuyên dụng. Quy trình đo đạc được tiến hành bằng cách lắp ráp các thành phần trên một đế vững chắc, liên kết chúng bằng khớp nối mềm. Động cơ tạo ra chuyển động quay, trong khi bộ nguồn cấp dòng điện chính xác vào phanh MR. Tín hiệu analog từ cảm biến momen được chuyển đổi thành tín hiệu số và ghi lại bằng phần mềm trên máy tính, cho phép phân tích kết quả một cách trực quan.

5.2. Phân tích biểu đồ momen phanh MR theo cường độ dòng điện

Kết quả đo cho thấy một mối quan hệ rõ ràng: khi tăng dòng điện cấp vào, momen phanh tăng lên. Tại dòng 0A, momen cản rất nhỏ (ma sát nhớt). Khi dòng tăng dần, momen tăng nhanh và đạt giá trị cực đại trên 5 Nm. Các biểu đồ cũng cho thấy thời gian đáp ứng của phanh rất nhanh, lực cản được tạo ra gần như tức thời sau khi cấp điện. Sự ổn định của momen ở mỗi mức dòng điện khẳng định hiệu quả của việc sử dụng lưu chất từ biến trong việc tạo ra lực cản có thể kiểm soát được.

5.3. Đánh giá hiệu năng và độ ổn định của hệ thống 3 DOF

Tổng kết từ thực nghiệm, hệ thống đã chứng minh được hiệu năng vượt trội. Mục tiêu thiết kế về momen 5 Nm đã đạt được, cho thấy quá trình tính toán và tối ưu hóa là chính xác. Hệ thống hoạt động ổn định, trơn tru, ít có sự biến động lực ngoài ý muốn. Kết quả này khẳng định rằng hệ thống 3-DOF sử dụng phanh MR là một giải pháp khả thi và hiệu quả, sẵn sàng cho việc tích hợp vào các ứng dụng thực tiễn như robot song song 3-DOF hoặc các cần điều khiển haptic.

VI. Tương Lai Của Hệ Thống Phản Hồi Lực và Công Nghệ MRF

Việc thiết kế và chế tạo thành công hệ thống phản hồi lực 3 chiều bằng phanh lưu chất từ biến không chỉ là một thành tựu nghiên cứu học thuật mà còn mở ra một hướng đi mới đầy tiềm năng. Công nghệ này mang lại khả năng tương tác vật lý chân thực với môi trường ảo hoặc môi trường từ xa, xóa nhòa ranh giới giữa thế giới thực và thế giới số. Trong tương lai gần, các hệ thống tương tự có thể được thu nhỏ và tối ưu hóa hơn nữa để tích hợp vào các thiết bị thương mại. Những cải tiến có thể tập trung vào việc phát triển các loại lưu chất từ biến mới có hiệu suất cao hơn, hoặc nghiên cứu các thuật toán điều khiển PID thông minh hơn để tạo ra phản hồi lực tinh vi và phức tạp. Việc kết hợp công nghệ haptic với trí tuệ nhân tạo (AI) cũng hứa hẹn tạo ra các hệ thống huấn luyện thông minh, có khả năng tự động điều chỉnh độ khó và cung cấp phản hồi dựa trên hiệu suất của người dùng. Tóm lại, phanh MR và các ứng dụng phản hồi xúc giác sẽ tiếp tục là một lĩnh vực nghiên cứu sôi động, đóng góp quan trọng vào sự phát triển của robot y tế, công nghiệp game, và các hệ thống đào tạo mô phỏng tiên tiến.

6.1. Ứng dụng tiềm năng trong mô phỏng thực tế ảo và y tế

Các ứng dụng của hệ thống này là rất lớn. Trong y tế, nó có thể được dùng để tạo ra các thiết bị huấn luyện phẫu thuật, cho phép sinh viên y khoa thực hành các thao tác phức tạp và cảm nhận được lực căng của mô một cách chân thực. Trong lĩnh vực mô phỏng thực tế ảo (VR), nó có thể được tích hợp vào các cần điều khiển, găng tay, mang lại cảm giác tương tác vật lý với các vật thể ảo, nâng cao trải nghiệm người dùng lên một tầm cao mới.

6.2. Hướng phát triển mới cho các thiết bị đầu cuối haptic

Hướng phát triển trong tương lai sẽ tập trung vào việc tạo ra các thiết bị đầu cuối haptic nhỏ gọn, đa năng và giá cả phải chăng hơn. Nghiên cứu có thể đi sâu vào việc tối ưu hóa cấu trúc từ của phanh MR để tăng tỉ lệ momen/khối lượng, hoặc phát triển các cơ cấu robot song song 3-DOF tích hợp sẵn phanh MR để giảm kích thước tổng thể. Việc sử dụng các vi điều khiển STM32/Arduino mạnh mẽ hơn cũng cho phép triển khai các thuật toán điều khiển phức tạp, tạo ra các hiệu ứng xúc giác đa dạng và tinh tế.