Thiết Kế và Tối Ưu Hóa Cơ Cấu Cân Bằng Trọng Lực Sử Dụng Cơ Cấu Mềm

• Tác giả: Võ Xuân Hoàng
• Người hướng dẫn: TS. Đào Thanh Phong
• Trường học: Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Thiết Kế và Tối Ưu Hóa Cơ Cấu Cân Bằng Trọng Lực Sử Dụng Cơ Cấu Mềm
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• MỤC LỤC
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu về cơ cấu cân bằng trọng lực
• 1.2. Các nghiên cứu trong nước và ngoài nước
• 1.2.1. Các nghiên cứu trong nước
• 1.2.2. Các nghiên cứu ngoài nước
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Giới thiệu cơ cấu mềm
• 2.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2.2.1. Phương pháp mô phỏng
• 2.2.2. Phương pháp đáp ứng bề mặt
• 2.2.3. Phương pháp thiết kế thí nghiệm
• 2.2.4. Phương pháp Kriging
• 2.2.5. Phương pháp tối ưu di truyền đa mục tiêu (Multi-Objective Genetic Algorithm - MOGA)
• 2.2.6. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 3.1. Thiết kế cơ cấu cân bằng trọng lực
• 3.2. Tính toán thiết kế cơ cấu cân bằng trọng lực
• 3.2.1. Tính toán chiều dài thanh nối
• 3.2.2. Tính toán chiều dài lò xo kéo, độ biến dạng của lò xo kéo và lực của lò xo kéo
• 3.2.3. Tính toán chiều dài lò xo nén, độ biến dạng của lò xo nén và lực của lò xo nén
• 3.2.4. Tính toán góc 0p và 0n
• 3.2.5. Tính toán momen phản ứng T
• 3.2.6. Tính toán độ cứng của lò xo kéo
• 3.3. Thiết kế, phân tích và tối ưu lò xo nén
• 3.3.1. Thiết kế ban đầu của lò xo nén
• 3.3.2. Thu thập dữ liệu và phân tích
• 3.3.2.1. Phân tích ứng suất tương đương, chuyển vị chính theo phương X, chuyển vị tổng của lò xo nén
• 3.3.2.2. Thiết kế thí nghiệm cho lò xo nén
• 3.3.2.3. Đáp ứng bề mặt (Response Surface)
• 3.3.2.4. Tối ưu lò xo nén
• 3.4. Thiết kế, phân tích và tối ưu lò xo kéo
• 3.4.1. Thiết kế ban đầu của lò xo kéo
• 3.4.2. Thu thập dữ liệu và phân tích
• 3.4.2.1. Phân tích ứng suất tương đương, chuyển vị chính theo phương X, chuyển vị tổng của lò xo kéo
• 3.4.2.2. Thiết kế thí nghiệm cho lò xo kéo
• 3.4.2.3. Đáp ứng bề mặt (Response Surface)
• 3.4.2.4. Tối ưu lò xo kéo
• 3.5. Thí nghiệm và đánh giá kết quả
• 3.5.1. Quy trình thí nghiệm
• 3.5.2. Chuẩn bị thí nghiệm
• 3.5.2.1. Chế tạo lò xo nén
• 3.5.2.2. Chế tạo lò xo kéo
• 3.5.3. Mô tả thí nghiệm
• 3.5.4. Kết quả thí nghiệm
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN

I. Tổng Quan Về Cơ Cấu Cân Bằng Trọng Lực Ứng Dụng Lợi Ích

Cơ cấu cân bằng trọng lực (GBM) là một hệ thống cơ khí quan trọng, được thiết kế để duy trì tổng thế năng của cơ cấu ở mức ổn định. Điều này đạt được bằng cách chuyển đổi năng lượng một cách thụ động vào và ra khỏi các phần tử lưu trữ năng lượng. Phương pháp bù trọng lượng thường được sử dụng do tải trọng và các thanh nối di chuyển thường được xác định trước. GBM đóng vai trò thiết yếu trong việc giảm thiểu mô-men xoắn điều khiển và hỗ trợ người dùng tương tác với thiết bị mà không cảm nhận được tải trọng thực tế. Ứng dụng của GBM rất đa dạng, từ robot công nghiệp, thiết bị y tế đến các ứng dụng gia dụng, mang lại hiệu quả năng lượng và trải nghiệm người dùng tốt hơn. Việc nghiên cứu và phát triển các GBM hiệu quả là rất quan trọng cho sự tiến bộ của nhiều lĩnh vực kỹ thuật. Cơ cấu đối trọng và cơ cấu lò xo là hai phương pháp chính thường được sử dụng.

1.1. Vai Trò Quan Trọng của GBM trong Thiết Kế Cơ Khí

Trong thiết kế cơ khí, cơ cấu cân bằng trọng lực đóng vai trò quan trọng về mặt hiệu quả năng lượng. Nó giúp giảm thiểu mô men xoắn điều khiển trong các thiết bị hoạt động và cho phép người dùng sử dụng thiết bị mà không cảm thấy tải trọng trong các thiết bị thụ động. Hiệu quả năng lượng là một yếu tố then chốt. Các cơ cấu này làm giảm gánh nặng cho động cơ hoặc người vận hành, dẫn đến tiết kiệm năng lượng và tăng tuổi thọ thiết bị.

1.2. Ứng Dụng Rộng Rãi của Cơ Cấu Cân Bằng Trọng Lực Hiện Nay

Cơ cấu cân bằng trọng lực hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Ví dụ, chúng được sử dụng trong robot công nghiệp để hỗ trợ các cánh tay robot nâng vật nặng một cách dễ dàng. Trong lĩnh vực y tế, GBM giúp các thiết bị hỗ trợ di chuyển hoạt động trơn tru và thoải mái cho bệnh nhân. Các ứng dụng gia dụng bao gồm các loại đèn bàn có thể điều chỉnh và các cơ cấu hỗ trợ nâng hạ trong nhà bếp. Robot là một trong những lĩnh vực phát triển mạnh mẽ.

II. Thách Thức Hạn Chế Của Cơ Cấu Cân Bằng Trọng Lực Truyền Thống

Mặc dù cơ cấu cân bằng trọng lực truyền thống đã được sử dụng rộng rãi, chúng vẫn tồn tại một số hạn chế đáng kể. Cơ cấu đối trọng thường cồng kềnh và chiếm nhiều không gian, gây khó khăn trong việc tích hợp vào các thiết bị nhỏ gọn. Cơ cấu lò xo truyền thống có thể khó điều chỉnh độ cứng và hiệu suất có thể bị ảnh hưởng bởi sự mỏi của vật liệu theo thời gian. Hơn nữa, việc thiết kế và chế tạo các cơ cấu này đòi hỏi độ chính xác cao và quy trình phức tạp. Do đó, việc tìm kiếm các giải pháp thay thế hiệu quả hơn, như sử dụng cơ cấu mềm, là một hướng đi đầy hứa hẹn. Cần cải thiện về kích thước, độ bền, và khả năng điều chỉnh.

2.1. Nhược Điểm Về Kích Thước Tính Linh Hoạt Của Đối Trọng

Sử dụng cơ cấu đối trọng thường dẫn đến kích thước tổng thể của hệ thống lớn hơn đáng kể. Điều này gây khó khăn trong việc tích hợp vào các ứng dụng yêu cầu tính nhỏ gọn và linh hoạt. Không gian hạn chế trở thành một vấn đề lớn, đặc biệt trong các thiết bị di động hoặc các ứng dụng có không gian làm việc hạn chế. Do đó, các giải pháp thay thế nhỏ gọn hơn đang được tìm kiếm tích cực.

2.2. Khó Khăn Trong Điều Chỉnh Độ Cứng Lò Xo Truyền Thống

Việc điều chỉnh độ cứng của lò xo truyền thống thường là một thách thức. Điều này có thể đòi hỏi việc thay thế lò xo hoặc sử dụng các cơ cấu điều chỉnh phức tạp. Sự thay đổi độ cứng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của cơ cấu cân bằng trọng lực, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao. Các nhà thiết kế cần tìm kiếm các phương pháp điều chỉnh độ cứng dễ dàng và hiệu quả hơn.

2.3. Vấn Đề Mỏi Vật Liệu Độ Bền Của Lò Xo

Lò xo, đặc biệt là lò xo kim loại, có thể bị mỏi vật liệu theo thời gian, dẫn đến giảm hiệu suất và độ tin cậy. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu hoạt động liên tục hoặc tải trọng lớn. Việc bảo trì và thay thế lò xo định kỳ có thể tốn kém và gây gián đoạn. Do đó, các vật liệu và thiết kế lò xo có độ bền cao hơn đang được nghiên cứu và phát triển.

III. Giải Pháp Cơ Cấu Mềm Trong Cân Bằng Trọng Lực Ưu Điểm Vượt Trội

Cơ cấu mềm nổi lên như một giải pháp đầy triển vọng để khắc phục những hạn chế của cơ cấu cân bằng trọng lực truyền thống. Sử dụng tính dẻo dai của vật liệu để tạo ra chuyển động, cơ cấu mềm mang lại nhiều ưu điểm như kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ, khả năng tích hợp cao và độ bền tốt hơn. Việc thiết kế cơ cấu mềm cho phép điều chỉnh độ cứng linh hoạt và giảm thiểu các khớp nối cơ học, từ đó giảm ma sát và mài mòn. Cơ cấu mềm giúp tạo ra các thiết kế nhỏ gọn, linh hoạt và bền bỉ hơn.

3.1. Thiết Kế Nhỏ Gọn Tích Hợp Cao Với Cơ Cấu Mềm

Cơ cấu mềm cho phép thiết kế các hệ thống cân bằng trọng lực nhỏ gọn hơn đáng kể so với các giải pháp truyền thống. Sự đơn giản trong thiết kế và việc giảm thiểu các bộ phận cơ học giúp tích hợp dễ dàng vào các thiết bị và không gian hạn chế. Điều này mở ra nhiều cơ hội ứng dụng mới trong các lĩnh vực đòi hỏi tính di động và linh hoạt.

3.2. Giảm Thiểu Ma Sát Mài Mòn Với Cơ Cấu Mềm

Do ít khớp nối cơ học hơn và dựa trên biến dạng vật liệu, cơ cấu mềm giảm thiểu đáng kể ma sát và mài mòn so với cơ cấu truyền thống. Điều này dẫn đến tuổi thọ cao hơn, ít yêu cầu bảo trì hơn và hoạt động êm ái hơn. Độ bền của cơ cấu được tăng lên đáng kể.

3.3. Điều Chỉnh Độ Cứng Linh Hoạt Trong Thiết Kế Cơ Cấu Mềm

Thiết kế cơ cấu mềm cho phép điều chỉnh độ cứng một cách linh hoạt thông qua việc thay đổi hình dạng, kích thước và vật liệu của các phần tử dẻo. Điều này cho phép tùy chỉnh cơ cấu để phù hợp với các yêu cầu tải trọng và ứng dụng cụ thể. Khả năng điều chỉnh này là một ưu điểm lớn so với các giải pháp truyền thống.

IV. Phương Pháp Tính Toán Tối Ưu Thiết Kế Cơ Cấu Mềm Cân Bằng

Để thiết kế và tối ưu hóa cơ cấu mềm cân bằng trọng lực, cần sử dụng các phương pháp tính toán và mô phỏng tiên tiến. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) cho phép phân tích chính xác ứng suất, biến dạng và độ cứng của cơ cấu. Các thuật toán tối ưu hóa như thuật toán di truyền (GA) hoặc phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM) có thể được sử dụng để tìm ra các thông số thiết kế tối ưu, đảm bảo hiệu suất cân bằng tốt nhất. Việc kết hợp các phương pháp này giúp tạo ra các thiết kế cơ cấu mềm hiệu quả, đáng tin cậy và tối ưu hóa.

4.1. Ứng Dụng Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn FEM Để Phân Tích

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là một công cụ mạnh mẽ để phân tích ứng suất, biến dạng và độ cứng của cơ cấu mềm. FEM cho phép mô phỏng chính xác hành vi của cơ cấu dưới tác dụng của tải trọng và các điều kiện biên khác nhau. Kết quả phân tích FEM giúp các nhà thiết kế hiểu rõ hơn về hiệu suất của cơ cấu và xác định các điểm yếu tiềm ẩn.

4.2. Tối Ưu Thông Số Bằng Thuật Toán Di Truyền GA Hoặc RSM

Các thuật toán tối ưu hóa như thuật toán di truyền (GA) và phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM) có thể được sử dụng để tìm ra các thông số thiết kế tối ưu cho cơ cấu mềm. Các thuật toán này tự động tìm kiếm không gian thiết kế để xác định các giá trị thông số mang lại hiệu suất cân bằng tốt nhất, đồng thời đáp ứng các ràng buộc về ứng suất, biến dạng và kích thước.

V. Nghiên Cứu Thực Nghiệm Cơ Cấu Mềm Cân Bằng Trọng Lực Kết Quả

Nghiên cứu và thực nghiệm đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá hiệu quả và tính khả thi của cơ cấu mềm cân bằng trọng lực. Các kết quả thực nghiệm có thể được sử dụng để xác nhận kết quả mô phỏng, hiệu chỉnh mô hình và đánh giá độ tin cậy của cơ cấu. Các nghiên cứu gần đây đã chứng minh tiềm năng của cơ cấu mềm trong việc cải thiện hiệu suất cân bằng trọng lực, giảm kích thước và tăng độ bền. Kết quả nghiên cứu cho thấy tính khả thi, hiệu quả và tiềm năng của cơ cấu mềm.

5.1. Kiểm Chứng Mô Hình Thông Qua Thực Nghiệm Hiệu Chỉnh

Thực nghiệm là cần thiết để kiểm chứng độ chính xác của các mô hình mô phỏng và hiệu chỉnh các thông số mô hình. So sánh kết quả thực nghiệm với kết quả mô phỏng giúp xác định các sai lệch và cải thiện độ tin cậy của mô hình. Việc hiệu chỉnh mô hình là quan trọng để đảm bảo rằng các dự đoán dựa trên mô hình là chính xác.

5.2. Đánh Giá Độ Tin Cậy Hiệu Suất Của Cơ Cấu Mềm

Thực nghiệm cũng cho phép đánh giá độ tin cậy và hiệu suất của cơ cấu mềm trong các điều kiện vận hành thực tế. Các thử nghiệm có thể bao gồm đánh giá khả năng chịu tải, độ bền, và độ chính xác của cơ cấu. Kết quả đánh giá giúp xác định các giới hạn và cải tiến tiềm năng của cơ cấu.

VI. Kết Luận Triển Vọng Phát Triển Cơ Cấu Mềm Cân Bằng Trọng Lực

Cơ cấu mềm cân bằng trọng lực mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với các giải pháp truyền thống và có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Nghiên cứu sâu hơn về vật liệu, thiết kế và phương pháp tối ưu hóa sẽ giúp nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của cơ cấu. Trong tương lai, chúng ta có thể kỳ vọng thấy sự phát triển của các cơ cấu mềm cân bằng trọng lực thông minh, có khả năng tự điều chỉnh và thích ứng với các điều kiện vận hành khác nhau. Cơ cấu mềm là tương lai của cân bằng trọng lực, với ứng dụng rộng rãi và tiềm năng phát triển.

6.1. Tối Ưu Hóa Vật Liệu Thiết Kế Cho Hiệu Suất Cao Hơn

Nghiên cứu về vật liệu mới và các thiết kế sáng tạo có thể giúp nâng cao hiệu suất và độ bền của cơ cấu mềm. Việc sử dụng các vật liệu có độ bền cao, khả năng chịu mỏi tốt và khả năng biến dạng lớn có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của cơ cấu. Các thiết kế tối ưu hóa có thể giảm thiểu ứng suất tập trung và tăng độ cứng của cơ cấu.

6.2. Phát Triển Cơ Cấu Mềm Cân Bằng Trọng Lực Thông Minh

Trong tương lai, chúng ta có thể kỳ vọng thấy sự phát triển của các cơ cấu mềm cân bằng trọng lực thông minh, có khả năng tự điều chỉnh và thích ứng với các điều kiện vận hành khác nhau. Các cơ cấu này có thể sử dụng cảm biến và bộ điều khiển để theo dõi tải trọng, vị trí và các yếu tố môi trường, và tự động điều chỉnh độ cứng và lực cân bằng để đảm bảo hiệu suất tối ưu.

Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ robot hiện nay là một lĩnh vực khoa học kỹ thuật liên ngành phát triển mạnh mẽ, ứng dụng rộng rãi trong sản xuất và đời sống. Trong các thiết bị robot, cơ cấu cân bằng trọng lực đóng vai trò quan trọng nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả năng lượng, đặc biệt trong các cơ cấu làm việc ở tốc độ thấp. Trọng lực hoặc mô men xoắn tĩnh thường có giá trị lớn hơn mô men xoắn động và được ưu tiên sử dụng trong thiết kế cơ khí. Cơ cấu cân bằng trọng lực giúp giảm thiểu mô men xoắn điều khiển, từ đó người sử dụng không cảm nhận được tải trọng khi vận hành thiết bị.

Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế và tối ưu hóa cơ cấu cân bằng trọng lực sử dụng cơ cấu mềm, thay thế cho các cơ cấu truyền thống như cơ cấu đối trọng hay lò xo truyền thống. Mục tiêu cụ thể bao gồm tính toán thiết kế các thông số liên quan đến hai loại lò xo kéo và nén, phân tích và tối ưu hóa các thông số này, đồng thời thực nghiệm kiểm chứng hiệu quả thiết kế. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào cơ cấu cân bằng trọng lực bị động với tải trọng cân bằng 1 kg, phạm vi góc quay từ +30° đến -30°, được thực hiện tại Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2020-2022.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc đề xuất nguyên lý tính toán và quy trình thiết kế tối ưu cho cơ cấu cân bằng trọng lực sử dụng cơ cấu mềm, đồng thời ứng dụng các phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn, thiết kế thí nghiệm, và thuật toán tối ưu di truyền đa mục tiêu (MOGA). Về mặt thực tiễn, kết quả nghiên cứu cung cấp tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu tiếp theo và có tiềm năng ứng dụng trong phát triển thiết bị robot và các thiết bị cơ khí cân bằng trọng lực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Cơ cấu cân bằng trọng lực (Gravity Balancing Mechanism - GBM): Là cơ cấu duy trì tổng thế năng không đổi bằng cách chuyển năng lượng bị động vào và ra khỏi phần tử lưu trữ năng lượng, giúp cân bằng trọng lượng tải trọng trong phạm vi góc quay nhất định.

• Cơ cấu mềm (Compliant Mechanism): Cơ cấu sử dụng biến dạng đàn hồi để tạo chuyển động mong muốn, thay thế cho các khớp cứng truyền thống. Ưu điểm gồm giảm ma sát, hao mòn, tiếng ồn, tiết kiệm không gian và chi phí lắp ráp.

• Phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM): Sử dụng phần mềm ANSYS Workbench 18.1 để phân tích ứng suất, chuyển vị của lò xo kéo và nén.

• Phương pháp đáp ứng bề mặt (Response Surface Methodology - RSM): Kỹ thuật toán học và thống kê để xây dựng mô hình thực nghiệm, tối ưu hóa biến đầu ra dựa trên các biến đầu vào.

• Phương pháp thiết kế thí nghiệm (Design of Experiments - DOE) với Central Composite Design (CCD): Thiết kế thí nghiệm kiểm soát để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố thiết kế đến kết quả.

• Phương pháp Kriging: Mô hình nội suy bán tham số giúp xây dựng mô hình gần đúng chính xác cho các hàm mục tiêu trong tối ưu hóa.

• Thuật toán tối ưu di truyền đa mục tiêu (Multi-Objective Genetic Algorithm - MOGA): Thuật toán tìm kiếm ngẫu nhiên có hướng dẫn, phù hợp giải quyết bài toán tối ưu đa mục tiêu với nhiều biến thiết kế.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mô hình thiết kế cơ cấu cân bằng trọng lực sử dụng lò xo kéo và nén dạng mềm, được xây dựng dựa trên các thông số thiết kế và vật liệu thực tế. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

• Phân tích lý thuyết: Tính toán các thông số cơ bản như chiều dài lò xo, độ biến dạng, lực tác dụng, momen phản ứng và độ cứng lò xo dựa trên cân bằng tĩnh.

• Mô phỏng phần tử hữu hạn: Phân tích ứng suất tương đương, chuyển vị chính theo phương X và chuyển vị tổng của lò xo kéo và nén với các biến thiết kế như chiều cao lò xo, chiều cao thanh dầm, độ dày lò xo.

• Thiết kế thí nghiệm: Sử dụng phương pháp CCD với 3 biến thiết kế chính, thực hiện 15 thí nghiệm mô phỏng để thu thập dữ liệu.

• Phân tích đáp ứng bề mặt: Áp dụng phương pháp Kriging để xây dựng mô hình hồi quy đa biến, đánh giá mức độ phù hợp của mô hình với dữ liệu thực nghiệm.

• Tối ưu hóa đa mục tiêu: Sử dụng thuật toán MOGA để tìm bộ tham số tối ưu cho lò xo kéo và nén, đảm bảo các mục tiêu về chuyển vị và ứng suất.

• Thực nghiệm kiểm chứng: Chế tạo hai loại lò xo theo thông số tối ưu, tiến hành 5 lần thí nghiệm đo chuyển vị, so sánh kết quả thực nghiệm với mô phỏng để đánh giá sai số.

Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 3/2020 đến tháng 12/2022 tại Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thiết kế và tính toán cơ cấu cân bằng trọng lực:

   • Phạm vi góc quay từ +30° đến -30°, tải trọng cân bằng 1 kg.
   • Mối quan hệ giữa độ cứng lò xo kéo (kp) và lò xo nén (kn) được xác định: $kp = 6,3 \times kn$.
   • Chiều dài thanh nối được tính là 75 mm, chiều dài lò xo kéo ban đầu 80,2 mm, lò xo nén 30 mm.

2. Phân tích và tối ưu lò xo nén:

   • Vật liệu nhôm ALT73-7075 với mô đun đàn hồi 72 GPa, giới hạn bền 503 MPa.
   • Các biến thiết kế chính: chiều cao lò xo nén (14-16 mm), chiều cao thanh dầm (5-7 mm), độ dày lò xo (0,8-1 mm).
   • Kết quả mô phỏng ứng suất tối đa 176,06 MPa, chuyển vị chính theo phương X đạt 9,32 mm, chuyển vị tổng 17,31 mm.
   • Tối ưu cho chuyển vị mục tiêu 10 mm với sai số ±5%, ứng suất dưới giới hạn cho phép với hệ số an toàn 1,5.

3. Phân tích và tối ưu lò xo kéo:

   • Các thông số tối ưu: chiều cao lò xo kéo 28,5 mm, chiều dài thanh dầm 17 mm, độ dày 1 mm.
   • Mô phỏng cho thấy ứng suất và chuyển vị phù hợp với yêu cầu cân bằng trọng lực.

4. Kết quả thực nghiệm:

   • Lò xo nén đạt chuyển vị trung bình 12,18 mm sau 5 lần thí nghiệm, sai lệch khoảng 14,45% so với mô phỏng.
   • Lò xo kéo đạt chuyển vị trung bình 13,388 mm, sai lệch khoảng 12,41%.
   • Sai số thực nghiệm nằm trong giới hạn chấp nhận được, chứng minh tính khả thi của thiết kế và mô phỏng.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc sử dụng cơ cấu mềm cho lò xo kéo và nén trong cơ cấu cân bằng trọng lực là khả thi và hiệu quả. Việc áp dụng phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn kết hợp với thiết kế thí nghiệm và thuật toán tối ưu MOGA giúp tìm ra các thông số thiết kế tối ưu, đảm bảo cân bằng tải trọng và giới hạn ứng suất vật liệu.

Sai số thực nghiệm so với mô phỏng chủ yếu do các yếu tố như sai số gia công, điều kiện thí nghiệm và tính chất vật liệu thực tế. Tuy nhiên, sai số dưới 15% là mức chấp nhận được trong lĩnh vực thiết kế cơ khí. So sánh với các nghiên cứu trước đây sử dụng lò xo truyền thống, cơ cấu mềm giúp giảm kích thước, trọng lượng và tăng tính linh hoạt trong điều chỉnh độ cứng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ phân bố ứng suất, chuyển vị theo các biến thiết kế, cũng như bảng so sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm để minh họa hiệu quả tối ưu hóa.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển thêm các loại cơ cấu mềm đa dạng:

   • Mở rộng nghiên cứu sang các dạng lò xo mềm khác nhau để tăng phạm vi ứng dụng.
   • Thời gian thực hiện: 1-2 năm.
   • Chủ thể: Các nhóm nghiên cứu kỹ thuật cơ khí và robot.

2. Ứng dụng cơ cấu cân bằng trọng lực mềm trong robot công nghiệp:

   • Thiết kế và tích hợp cơ cấu cân bằng trọng lực mềm vào các robot làm việc tốc độ thấp nhằm giảm tải trọng điều khiển.
   • Thời gian thực hiện: 2-3 năm.
   • Chủ thể: Doanh nghiệp sản xuất robot và viện nghiên cứu.

3. Nâng cao độ chính xác và giảm sai số thực nghiệm:

   • Cải tiến quy trình gia công và thí nghiệm để giảm sai số chuyển vị dưới 10%.
   • Thời gian thực hiện: 1 năm.
   • Chủ thể: Phòng thí nghiệm và kỹ sư thiết kế.

4. Phát triển phần mềm hỗ trợ thiết kế tối ưu:

   • Xây dựng công cụ phần mềm tích hợp mô phỏng FEM, RSM và MOGA để tự động hóa quá trình thiết kế cơ cấu cân bằng trọng lực mềm.
   • Thời gian thực hiện: 1-2 năm.
   • Chủ thể: Các nhóm phát triển phần mềm kỹ thuật và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật cơ khí:

   • Học hỏi quy trình thiết kế, mô phỏng và tối ưu hóa cơ cấu mềm trong cơ khí.
   • Áp dụng làm tài liệu tham khảo cho luận văn và đề tài nghiên cứu.

2. Kỹ sư thiết kế cơ khí và robot:

   • Nắm bắt phương pháp thiết kế cơ cấu cân bằng trọng lực sử dụng lò xo mềm để cải tiến sản phẩm.
   • Ứng dụng trong phát triển robot và thiết bị cơ khí cân bằng tải trọng.

3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị cơ khí và robot:

   • Tìm hiểu công nghệ mới giúp giảm kích thước, trọng lượng và tăng hiệu quả năng lượng cho sản phẩm.
   • Áp dụng trong thiết kế và sản xuất các thiết bị cân bằng trọng lực.

4. Giảng viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực cơ khí và robot:

   • Tham khảo phương pháp nghiên cứu kết hợp mô phỏng, thiết kế thí nghiệm và tối ưu đa mục tiêu.
   • Phát triển các đề tài nghiên cứu tiếp theo dựa trên nền tảng luận văn.

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ cấu cân bằng trọng lực là gì và tại sao quan trọng trong robot?
   Cơ cấu cân bằng trọng lực giúp duy trì tổng thế năng không đổi, giảm mô men xoắn điều khiển, từ đó giảm tải trọng cho người sử dụng hoặc bộ truyền động. Điều này rất quan trọng trong robot làm việc ở tốc độ thấp để đảm bảo an toàn và hiệu quả năng lượng.

2. Cơ cấu mềm khác gì so với cơ cấu truyền thống?
   Cơ cấu mềm sử dụng biến dạng đàn hồi để tạo chuyển động, không có khớp cứng, giúp giảm ma sát, hao mòn, tiếng ồn và tiết kiệm không gian. Trong khi cơ cấu truyền thống dựa trên các khớp nối cứng và lò xo truyền thống.

3. Phương pháp tối ưu di truyền đa mục tiêu (MOGA) được áp dụng như thế nào trong nghiên cứu?
   MOGA được sử dụng để tìm bộ tham số thiết kế tối ưu cho lò xo kéo và nén, đồng thời cân bằng các mục tiêu như chuyển vị mong muốn và giới hạn ứng suất, giúp đạt hiệu quả thiết kế cao nhất.

4. Sai số thực nghiệm so với mô phỏng có ảnh hưởng thế nào đến kết quả?
   Sai số thực nghiệm khoảng 12-14% là chấp nhận được trong lĩnh vực thiết kế cơ khí. Nguyên nhân do sai số gia công, điều kiện thí nghiệm và tính chất vật liệu. Kết quả vẫn chứng minh tính khả thi và độ chính xác của mô hình thiết kế.

5. Ứng dụng thực tiễn của cơ cấu cân bằng trọng lực mềm là gì?
   Cơ cấu này có thể ứng dụng trong robot công nghiệp, thiết bị hỗ trợ vận động, máy móc cần cân bằng tải trọng để giảm mô men xoắn điều khiển, nâng cao hiệu quả và an toàn trong vận hành.

Kết luận

• Đã xây dựng và hoàn thiện quy trình thiết kế, tính toán và tối ưu cơ cấu cân bằng trọng lực sử dụng cơ cấu mềm với hai loại lò xo kéo và nén.
• Áp dụng thành công các phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn, thiết kế thí nghiệm, Kriging và thuật toán tối ưu di truyền đa mục tiêu (MOGA) để tìm thông số tối ưu.
• Kết quả thực nghiệm cho thấy sai số chuyển vị dưới 15%, chứng minh tính khả thi và độ chính xác của thiết kế.
• Nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả năng lượng và giảm kích thước cơ cấu cân bằng trọng lực trong thiết kế robot và thiết bị cơ khí.
• Đề xuất các hướng phát triển tiếp theo bao gồm mở rộng loại cơ cấu mềm, ứng dụng trong robot công nghiệp và phát triển phần mềm hỗ trợ thiết kế.

Hành động tiếp theo: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư được khuyến khích áp dụng quy trình thiết kế và tối ưu này vào các dự án thực tế, đồng thời tiếp tục nghiên cứu cải tiến để nâng cao hiệu quả và độ chính xác của cơ cấu cân bằng trọng lực mềm.