Chương 1.1 Giói thiệu chung Hiện nay ngành công nghiệp đã phát triển rất mạnh về mọi mặt nhưng vẫn có một số trường hợp phải làm việc trong môi trường khắc nghiệt, độc hại là điều không thể tránh khỏi như trong những lĩnh vực hạt nhân, hóa chất độc hại, phòng cháy chữa cháy, rà phá bom mìn, phẫu thuật y khoa. Do đó để đảm bảo an toàn cho những người phải làm việc trong các môi trường trên thì một trong những giải pháp được áp dụng phổ biến nhất hiện nay là sử dụng Robot điều khiển từ xa đó là hệ thống robot chủ-tớ (Master-Slave). Với công nghệ hiện đại như là kỹ thuật camera đã được sử dụng để quan sát môi trường làm việc, tuy vậy việc thiếu thông tin tương tác trực tiếp của hệ thống như lực, mô men, chuyển vị. đã ảnh hưởng không nhỏ đến khả năng vận hành, cũng như độ chính xác khi người vận hành điều khiển hệ thống.
Nên việc nghiên cứu và phát triển một hệ thống phản hồi lực rất cần thiết đặc biệt là sử dụng vật liệu thông minh như SMA, MRF, ERF. đã và đang nghiên cứu rất mạnh. Mục tiêu của hệ thống này là mô tả hệ tay máy 3 bậc tự do xoay tương ứng với ba góc quay và ba góc quay này được kiểm soát bởi 3 phanh lưu chất MRB được đặt tại 3 vị trí tương ứng. Hệ này được tính toán thiết kế, mô phỏng tối ưu sao cho tại các MRB đạt mô men theo yêu cầu và có khối lượng là nhỏ nhất, từ đó sẽ thực nghiệm đánh giá khả năng đáp ứng của hệ thống về khả năng phản hồi lực.2 Đặc điểm chung của MRF Chất từ biến (Magneto Rheological Fluid - MRF) là một dạng lưu chất thay đổi các tính chất lưu biến như độ nhớt, ứng suất chảy dưới tác dụng của từ trường, là một trong số các loại vật liệu thông minh (Smart Materials) thông dụng trong kỹ thuật.
Lưu chất này có khả năng chuyển từ trạng thái lỏng sang dạng trạng thái sệt (Semisolid) khi có từ trường đi qua lưu chat. MRF đã được Jacob Rabinow nghiên cứu tại Cục tiêu chuẩn quốc gia Hoa Kỳ vào cuối những năm 1940s [1]. MRF bao gồm chất lỏng nền, các hạt từ tính phân cực và chất phụ gia. Các hạt từ tính phân cực có vai trò cơ bản trong các hiệu ứng của từ trường bên ngoài đưa vào.
Chất phụ gia được dùng để giảm bớt sự lắng đọng của các hạt từ tính, vì sự lắng đọng của hạt từ tính ảnh hưởng khá lớn đến khả năng lưu biến của MRF. Đặc điểm từ tính của MRF bao gồm ứng suất chảy dẻo, độ nhớt sau chảy dẻo và độ lắng đọng [2, 3]. Tính lưu biến này phụ thuộc vào các 1 Báo cáo đề tài khoa học IUH tham số biến đổi khác nhau như tỷ trọng hạt từ tính, loại hạt từ tính, mật độ các hạt từ tính, cường độ từ trường, nhiệt độ, tính chất của chất lỏng nền và loại chất phụ gia [4]. Tính lưu biến của MRF như độ nhớt, tính đàn hồi hay tính dẻo của MRF phụ thuộc vào từ trường đi qua lưu chất.
Khi từ trường đi qua lưu chất thì các đặc tính của MRF được biểu diễn qua mô hình Bingham [5].1 Thành phần chính MRF. MRF gồm ba thành phần chính đó là: hạt từ tính (1), chất lỏng nền (2), chất phụ gia, được thể hiện bởi Hỉnh 1.1: Thành phần chính MRF. Các hạt từ tính của MRF hiện nay được sử dụng như sắt, hợp kim sắt, oxit sắt, nitrat sắt, cacbua sắt, sắt carbonyl, niken và coban [6, 7]. Trong đó hạt phản ứng từ thường được sử dụng để chế tạo MRỈ' là sắt carbonyl, ứng suất cực đại của MRF đạt được khi cường độ từ trường áp dụng vào MRT làm cho bão hòa từ của các hạt từ tính được xác lập.
Kích thước hạt từ tính trong MRF thường nằm trong khoảng 0,1-10 pm. Chất lỏng nền được sử dụng trong MRF có thể là dầu silicon, dầu khoáng, dầu paraíin, dầu thủy lực, chất lỏng hữu cơ như halogen, diesters, polyoxyalkylen, silic fluoride, nước và dầu hydrocarbon tổng họp [7]. Chất phụ gia thêm vào nhằm làm giảm sự lắng đọng của các hạt từ tính trong MRF [8]. Hiện tượng lắng đọng có thể gây ra hiện tượng suy giảm độ nhớt của MRF [9].
Khi sự lắng đọng của MRỈ' tăng lên thì dưới tác động của ứng suất cao và tốc độ cắt cao trong một thời gian dài làm cho chất lỏng sẽ đặc lại [10] 2 Báo cáo đề tài khoa học IUH 1.2 Nguyên lý hoạt động MRF. Khi MRF ở trạng thái bình thường (khi từ trường không đi qua MRF), các hạt từ tính chuyển động tự do, MRF ứng xử như lưu chất Newton (Hình 1. Khi MRF ở trạng thái có tác dụng của từ trường bên ngoài vào thì các hạt từ tính sẽ gắn kết và sắp xếp lại với nhau theo hình dạng phân bố của đường sức từ. Các hạt từ này có khả năng chống lại sự phá vỡ liên kết, làm cho lưu chất sệt lại.
Khi cường độ từ trường ở mức thấp thì sự phân bố các hạt từ tính chưa rõ ràng (Hình 1.2 b), còn kill cường độ từ trường cao thì sự phân bố các hạt từ tính sẽ đinh hình rõ ràng hơn (Hình 1. Khả năng hên kết của các hạt từ tính phụ thuộc rất lớn vào cường độ từ trường bên ngoài tác dụng vào MRF. Từ trường áp dụng Lưu chất MR (hạt từ tính) •• o • a) c) Hình 1.2: Các trạng thái MRF.3 Tổng quan tình hình nghiên cúu và tính cấp thiết tiến hành nghiên cúu 1.1 Tình hình nghiên cứu quốc tế Trong những năm hiện nay việc sử dụng bộ điều khiển từ xa trong môi trường nguy hiểm, bao gồm cả robot phiêu lưu, đã chứng kiến sự phổ biến ngày càng tăng trong các ngành công nghiệp hiện đại [11]. Tuy nhiên, một thách thức đáng kể trong các hệ thống điều khiển từ xa là thiếu phản hồi lực và mô-men xoắn, làm ảnh hưởng đến độ chính xác và tính hull hoạt của việc điều khiển của người vận hành [12], Để khắc phục hạn chế này, việc tích hợp phản hồi lực, được gọi là hệ thống xúc giác từ xa, đã đạt được kết quả đảng kể trong nghiên cứu [ 13].
Vì vậy, một hệ thống điều khiển từ xa có phản hồi lực tới người vận hành (hệ thống xúc giác từ xa) là rất quan trọng. Chất lưu biến từ (MRF) đã được biết như một vật liệu đầy triển vọng cho nhiều ứng dụng 3 Báo cáo đề tài khoa học ỈUH khác nhau nhờ các đặc tính lưu biến độc đáo của nó dưới tác dụng của từ trường bên ngoài [14, 15, 16], Các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào các hệ thống xúc giác sử dụng bộ truyền động từ tính (MR). Ví dụ, Yamaguchi và cộng sự. đã đề xuất một hệ thong xúc giác đa bậc tụ do (DOF) với phanh MR tương đối lớn, nhưng hệ thống này phải chịu khối lượng lớn và lực ngoài trạng thái hạn chế [17], Winter và Bouzit đã phát triển găng tay phản hồi lực sử dụng phanh MR tuyến tính, nhưng họ gặp phải những thách thức như lực lệch trạng thái cao và kích thước phanh lớn [18], Bullion và Gurocak đã thiết kế một chiếc găng tay xúc giác 3-DOF với phanh MR xoay, cung cấp lực phản hồi cho các ngón tay cụ thể, nhưng vẫn thiếu các thử nghiệm xác nhận [19], Berk Gonenc [20] đã phát triển hệ phản hồi hỗn họp bao gồm phanh MRF dạng tang trống kết họp với động cơ DC servo thể hiện bởi Hình 1.
Hệ thong này mô phỏng lại việc cắt mô cho các loại kéo phẫu thuật nhưng chỉ có một bậc tự do nên chưa thế áp dụng cho các thao tác phức tạp của việc phẫu thuật từ xa. Thiết kế này sau khi tối ưu hình học có mô men của phanh đạt 1,5 Nm còn cả hệ tối đa là 1,77 Nm.3 Mô hình thử nghiệm của Berk Gonenc [20], Doruk Senkal và cộng sự [21] đã nghiên cứu chế tạo cơ cấu khóp quay phản hồi lực đa hướng dùng phanh MRF dạng cầu biểu diễn bởi Hình 1. Đường kính quả cầu phanh là D = 76,2 mm mô men tạo ra lên đến 3,7 Nm. Tuy nhiên, hệ này không thể điều khiển mô men riêng rẽ theo mỗi phương, kết cấu phức tạp và lực tác động không 4 Báo cáo đề tài khoa học ỈUH phản hồi lên tay người điều khiên.
Cần điều khiên Hệ thống vị tri quang học Cám biến lực MRB dạng cầu Hình 1.4 Cơ cấu phản hồi lực dùng phanh MRF cầu [21], Li w. H cùng các cộng sự [22] đã đưa ra cơ cấu phản hồi lực joystick 2D với hai phanh quay sử dụng MRF thể hiện bởi Hình 1. Các phanh này có thông số cơ bản là D = 156 mm, L = 21 mm, mô men tạo ra từ 0,7 Nm đến 6 Nm. Các phanh được sử dụng vẫn là các phanh truyền thống (các cuộn dây quấn ở vỏ ngoài) và việc tối ưu hoá hình học chưa được xem xét nên kết cấu phanh còn khá lớn.
Trong nghiên cứu này, tác giả đã sử dụng các MRB để tạo mô men phản hồi, người điều khiển chỉ cảm nhận được lực tác động khi thực hiện chuyển động cần điều khiến do vậy khi cần điều khiển không chuyển động lực tác động không phản hồi lên tay người điều khiển. Mô hình phản hồi lực joystick 2D [22], 5 Báo cáo đề tài khoa học IUH Nguyen p. B và các cộng sự [23] đã thiết kế và chế tạo cơ cấu joystick 2D biểu diễn bởi Hình 1.6 có phản hồi lực, sử dụng cơ cấu quay hai chiều dùng MRF. Đối với hệ này thì mô men ma sát có thể được khử và hệ thống có thể phản ánh được mô men rất nhỏ lên tay người điều khiển do đó người điều khiển có thể cảm nhận được lực tác động ngay cả kin cần điều khiển không chuyển động.
Tuy nhiên vẫn như các nghiên cứu trước kia, kiểu quấn dây truyền thống (cuộn dây bố trí ở mặt trụ của vỏ) dẫn tới hiện tượng thắt nút cổ chai và việc tối ưu hoá hình học chưa được xem xét nên kết cấu hai chiều còn khá lớn, mô men phản hồi không cao (1,2 Nm). Mô hình phản hồi lực 2D của Nguyen p. Oh J s và các cộng sự [24] đã thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển có phản hồi lực 4 DOF ứng dụng vào hệ thống phẫu thuật biểu diễn bởi Hình 1. về bản chất, nghiên cứu này là sự phát triển tiếp theo của nghiên cứu do Nguyen p B [23] và các cộng sự thực hiện.