Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí mang tên "Phát triển và tối ưu hóa cơ cấu cân bằng trọng lực sử dụng cơ cấu mềm" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Châu Ngọc Lê tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, dưới sự hướng dẫn của TS. Đào Thanh Phong và PGS. Lê Hiếu Giang. Luận án nghiên cứu giải pháp cơ học nhằm hỗ trợ tập luyện phục hồi chức năng và trợ lực vận động chi trên cho bệnh nhân suy giảm vận động sau đột quỵ.

Theo số liệu y học được tác giả dẫn giải từ Budhota (2021), khoảng 40% người sống sót sau tai biến đột quỵ chịu di chứng suy giảm chức năng vận động chi trên. Cirstea (2000) và Reinkensmeyer (2001) chỉ ra rằng biên độ hoạt động của khớp khuỷu tay ở người bệnh sau đột quỵ bị thu hẹp đáng kể, chỉ đạt khoảng 27,6 độ hoặc dao động trong khoảng 20 đến 22,5 độ theo các phương chuyển động. Để trợ giúp người bệnh cầm nắm và di chuyển đồ vật trong sinh hoạt hằng ngày, các cơ cấu cân bằng trọng lực (gravity balancing mechanism - GBM) được ứng dụng nhằm triệt tiêu mô men do trọng lượng sinh ra, giúp cánh tay di chuyển trong trạng thái không trọng lượng và giảm thiểu năng lượng vận hành.

Tuy nhiên, khoảng trống nghiên cứu thực tế nằm ở chỗ: các cơ cấu cân bằng bị động truyền thống thường có kích thước cồng kềnh, khối lượng lớn hoặc cố định tải trọng làm việc; nếu muốn thay đổi tải trọng thì cơ cấu lại đòi hỏi nguồn năng lượng bên ngoài lớn để tạo biến dạng ban đầu hoặc dịch chuyển điểm đặt liên kết. Ngược lại, các nghiên cứu ứng dụng cơ cấu mềm trước đây tuy giảm được khối lượng nhưng chưa tích hợp được khả năng điều chỉnh tải trọng phi năng lượng. Luận án đặt mục tiêu giải quyết trực tiếp mâu thuẫn kỹ thuật này.

Mục tiêu nghiên cứu tổng quát được xác định gồm:

  1. Phát triển một cơ cấu cân bằng trọng lực mới, có kích thước nhỏ gọn để tích hợp lên thiết bị hỗ trợ vận động chi trên.
  2. Thiết lập nguyên lý điều chỉnh độ cứng của phần tử đàn hồi nhằm duy trì trạng thái cân bằng khi tải trọng thay đổi mà không cần sử dụng năng lượng từ bên ngoài.
  3. Xây dựng các quy trình thiết kế, mô hình hóa và tối ưu hóa kích thước hình học cho các chi tiết đàn hồi chủ đạo trong cơ cấu gồm lò xo phẳng và khớp xoay mềm.

Các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Thiết kế, phân tích nguyên lý cơ cấu cân bằng trọng lực có khả năng điều chỉnh tải trọng phi năng lượng.
  2. Xây dựng các quy trình tích hợp để thiết kế, phân tích phần tử hữu hạn và tối ưu hóa cho các chi tiết biến dạng đàn hồi.
  3. Thiết kế, mô phỏng và tối ưu hóa kích thước hình học cho hai mô hình khớp xoay mềm và hai mô hình lò xo phẳng.
  4. Chế tạo mô hình thực nghiệm và đo kiểm khả năng cân bằng tĩnh của cơ cấu khi thay đổi tải trọng.

Phạm vi nghiên cứu của luận án:

  • Loại cơ cấu: Cơ cấu cân bằng trọng lực bị động, cấu trúc một bậc tự do (1-DOF) định hướng ứng dụng cho thiết bị hỗ trợ vận động khớp khuỷu tay.
  • Phạm vi góc xoay cân bằng: Từ 0 độ đến 30 độ (phù hợp với biên độ vận động thực tế của bệnh nhân suy giảm chức năng chi trên).
  • Phạm vi tải trọng cân bằng: Thay đổi trong giới hạn từ 250 gam đến 1000 gam (0,25 kg đến 1,0 kg) tương ứng với các vật dụng sinh hoạt cơ bản.
  • Cấu tạo thành phần: Kết hợp giữa một khớp xoay mềm và một lò xo phẳng mềm điều chỉnh được độ cứng làm việc.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu trong luận án phân loại các hệ thống cân bằng trọng lực thành hai nhóm lớn: cân bằng chủ động và cân bằng bị động. Cân bằng chủ động sử dụng cảm biến phản hồi và động cơ chấp hành (như phân tích của tác giả tham chiếu tài liệu số [10]), có đáp ứng động học tốt nhưng phức tạp về điều khiển và có độ trễ. Cân bằng bị động chia thành ba nhánh kỹ thuật: sử dụng đối trọng, sử dụng chi tiết biến dạng đàn hồi (lò xo, dây chun), hoặc kết hợp cả hai.

Về khả năng thích ứng tải trọng, các công trình trước đây được tác giả tổng hợp và phân loại cụ thể:

  • Nhóm không thể điều chỉnh tải trọng: Chen và cộng sự (2000) [49] thiết kế cơ cấu hình bình hành kết hợp lò xo và dây cáp - puli; Cho và cộng sự [50] phát triển cơ cấu 1 bậc tự do cho khớp vai robot; Hung và Kou (2017) [59] dùng hệ bánh răng Cardan đảo ngược và bánh răng hành tinh cân bằng tải 3 kg; Zhou và cộng sự (2020) [60] phát triển cơ cấu lò xo cho khung xương ngoài chi dưới nhưng phải thay lò xo mới nếu cân nặng người dùng thay đổi.
  • Nhóm điều chỉnh cần cung cấp năng lượng: Wijk và Herder [53] điều chỉnh vị trí hoặc khối lượng đối trọng trong dải 0 - 1 kg; Takesue và cộng sự [51, 52] dùng hai lò xo xoắn tuyến tính với dải tải 1 - 3 kg bằng cách tạo biến dạng ban đầu; Yang và Lan (2015) [29] kết hợp hai lò xo phẳng mềm (một kéo, một nén) trong dải 0 - 1,3 kg nhưng cần lực tác động rất lớn để biến dạng lò xo trước khi làm việc.
  • Nhóm điều chỉnh phi năng lượng hoặc tự điều chỉnh: Wisse và cộng sự [54] dùng lò xo ảo kết hợp cơ cấu Pantograph (0 - 1 kg); Barents và cộng sự [55] thay đổi điểm kết nối lò xo (0 - 3 kg); Van Dorsser và cộng sự [56] thay đổi số vòng xoắn làm việc của lò xo xoắn tuyến tính (1 - 3 kg); Chu và Kou (2017) [11] cùng Chew và cộng sự (2019) [57] thiết kế cơ cấu tự đổi điểm kết nối qua hệ dây cáp và puli; Franchetti và cộng sự (2021) [58] kết hợp ròng rọc, thanh trượt và đối trọng. Điểm yếu của các hệ thống này là kích thước cồng kềnh, kết cấu cơ khí phức tạp, hiện tượng dão cáp làm sai lệch mô men.

Tại Việt Nam, các nghiên cứu về cơ cấu cân bằng trọng lực còn hạn chế: Nguyễn Hồng Nguyên và cộng sự (2018) [30, 31] cùng Huỳnh Quốc Bảo (2018) [32] ứng dụng nguyên lý Scotch Yoke để cân bằng cho cánh tay 1 bậc và 3 bậc tự do nhưng không điều chỉnh được tải trọng. Trong lĩnh vực cơ cấu mềm, các nhóm nghiên cứu của Phạm Huy Tuân và cộng sự [25, 34-36], Trần Ngọc Đăng Khoa và cộng sự [37-39], Đào Thanh Phong và cộng sự [23, 40-48] tập trung vào bàn định vị vi sai, tay gắp chính xác, khớp y sinh và cơ cấu đa vị trí ổn định.

Khoảng trống học thuật mà luận án lựa chọn giải quyết là: Thiết kế một cơ cấu cân bằng trọng lực tích hợp cơ cấu mềm có kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ, vận hành trong phạm vi góc hẹp (0 - 30 độ) và sở hữu cơ chế thay đổi độ cứng lò xo để cân bằng dải tải trọng 250 - 1000 gam hoàn toàn không tiêu tốn năng lượng trong quá trình chuyển đổi cấu hình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng cơ học tĩnh và tối ưu hóa đa mục tiêu bằng trí tuệ nhân tạo kết hợp mô phỏng số:

Khung lý thuyết và nguyên lý cân bằng

  • Trạng thái cân bằng tĩnh được xác lập theo nguyên lý tổng mô men ngoại lực và nội lực tác dụng lên toàn bộ hệ thống bằng không tại mọi góc xoay $\theta$ trong phạm vi làm việc: $$\sum M = T_r(\theta) + T_P(\theta) + T_m(\theta) = 0$$ Trong đó: $T_r$ là mô men uốn sinh ra từ khớp xoay mềm; $T_P$ là mô men xoắn đàn hồi tạo bởi lò xo phẳng; $T_m$ là mô men trọng trường do khối lượng thanh liên kết ($m_1$) và khối lượng tải trọng ($m_2$) gây ra dưới gia tốc trọng trường $g$.
  • Nguyên lý điều chỉnh độ cứng: Thay vì dịch chuyển điểm kết nối hoặc dùng lực kéo căng biến dạng trước (vốn đòi hỏi nguồn năng lượng lớn), tác giả áp dụng nguyên lý thay đổi số lượng phân đoạn làm việc thực tế của lò xo phẳng. Khi cơ cấu ở vị trí gốc ($\theta = 0^\circ$), lò xo không tích trữ biến dạng đàn hồi nên việc khóa hoặc mở các phân đoạn không cần thắng lực đàn hồi, từ đó đạt trạng thái phi năng lượng.
  • Vật liệu chế tạo: Sử dụng hợp kim nhôm Al7075 với các thông số cơ tính: mô đun đàn hồi $E$, giới hạn bền chảy $\sigma_{ch}$, bảo đảm hệ số an toàn thiết kế $[S]$.

Phương pháp phân tích và mô phỏng số

  • Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM/FEA): Được sử dụng để phân tích ứng suất Von-Mises ($\sigma$), biến dạng đàn hồi, góc xoay tiếp tuyến và năng lượng tích trữ trong các chi tiết mềm.
  • Tiêu chuẩn kiểm soát lưới: Sử dụng chỉ số Skewness để định lượng chất lượng lưới phần tử hữu hạn, bảo đảm mô hình tính toán số hội tụ và không xảy ra suy biến hình học.

Phương pháp quy hoạch thực nghiệm và học máy

  • Thiết kế thực nghiệm (DOE): Sử dụng phương pháp thiết kế tổng hợp trung tâm (CCD) và mảng trực giao Taguchi ($L_9$, $L_{16}$) để giảm thiểu số lượng ca mô phỏng nhưng vẫn thu được dữ liệu đại diện cho không gian thiết kế.
  • Phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM) và mô hình nội suy Kriging: Xây dựng hàm tương quan xấp xỉ bậc hai giữa các thông số hình học đầu vào và đáp ứng cơ học đầu ra.
  • Mạng nơ ron thích nghi mờ (ANFIS) và Mạng nơ ron học sâu truyền thẳng (DFNN): Thiết lập mô hình thay thế (surrogate model) có độ phi tuyến cao cho các biến dạng phức tạp của khớp xoay và lò xo phẳng.
  • Đánh giá thống kê: Dùng phân tích phương sai (ANOVA), hệ số xác định $R^2$, hệ số xác định hiệu chỉnh $R^2_{adj}$, sai số bình phương trung bình (RMSE/MSE), sai số tương đối (MRR) và tỷ số tín hiệu trên nhiễu ($S/N$).

Thuật toán tối ưu hóa

  • Thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (PSO) và Thuật toán di truyền đa mục tiêu (MOGA).
  • Thuật toán chu kỳ nước (WCA) và Thuật toán tối ưu hóa con thiêu thân (MFO).
  • Giải thuật lai: Kết hợp thuật toán chu kỳ nước và con thiêu thân (WCA-MFO) nhằm tăng tốc độ hội tụ và tránh rơi vào cực trị địa phương khi xử lý bài toán tối ưu kích thước phức tạp.
  • Phương pháp tối ưu hóa cấu trúc Topo (Topology Optimization): Áp dụng nhằm xác định phân bố vật liệu tối ưu của khớp xoay mềm trước khi tiến hành tối ưu hóa tham số kích thước.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Chương 1 hệ thống hóa lý thuyết về cơ cấu cân bằng trọng lực chủ động và bị động, đồng thời nêu bật các ưu và nhược điểm của cơ cấu mềm:

  • Ưu điểm cơ bản: Kết cấu nguyên khối giảm thiểu tối đa số lượng chi tiết, giảm khối lượng và kích thước lắp ráp, loại bỏ hoàn toàn ma sát và khe hở khớp, không cần bôi trơn, nâng cao độ chính xác chuyển động và tích hợp khả năng tích trữ năng lượng đàn hồi.
  • Nhược điểm: Phân tích cơ học phi tuyến phức tạp, có hiện tượng dịch tâm xoay khi biến dạng lớn và độ cứng chống uốn giới hạn chuyển vị. Chương này khảo sát chi tiết các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước (tổng hợp qua Bảng 1.1 trong luận án), từ đó khẳng định tính cấp thiết của việc phát triển một cơ cấu cân bằng 1 bậc tự do, kích thước nhỏ gọn, phạm vi hoạt động 0 - 30 độ, tải trọng 250 - 1000 gam với cơ chế điều chỉnh phi năng lượng.

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2 trình bày toán học và cơ sở phương pháp luận phục vụ nghiên cứu:

  • Thiết lập phương trình cân bằng tĩnh học dựa trên điều kiện triệt tiêu mô men và bảo toàn thế năng hệ thống.
  • Trình bày hai nguyên lý điều chỉnh cân bằng: (1) Thay đổi khoảng cách từ tâm quay đến điểm kết nối của lò xo ($a, b$) một lượng $\Delta a, \Delta b$; (2) Thay đổi độ cứng lò xo $K$ tương ứng với độ biến thiên tải trọng $\Delta m$.
  • Giới thiệu các phương pháp quy hoạch thực nghiệm: Full Factorial, Central Composite Design (CCD), mảng trực giao Taguchi ($L_9, L_{16}$).
  • Trình bày nguyên lý chia lưới phần tử hữu hạn và bảng chuẩn hóa giá trị Skewness (Bảng 2.1) để đánh giá chất lượng lưới mô phỏng số.
  • Thiết lập cấu trúc mạng DFNN nhiều lớp ẩn và cấu trúc ANFIS 5 lớp kết hợp luật mờ Takagi-Sugeno.
  • Xây dựng toán tử và cấu trúc các thuật toán tối ưu hóa thông minh: MOGA, WCA, PSO, MFO và thuật toán kết hợp chu kỳ nước - con thiêu thân (WCA-MFO).

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CƠ CẤU CÂN BẰNG TRỌNG LỰC

Chương 3 tập trung xây dựng mô hình tĩnh học và giải pháp nguyên lý cho cơ cấu:

  • Đề xuất sơ đồ nguyên lý gồm thanh mang tải liên kết đồng trục với khớp xoay mềm và hệ thống lò xo phẳng.
  • Lựa chọn vật liệu hợp kim nhôm Al7075 (Bảng 3.1) cho toàn bộ kết cấu đàn hồi nhờ giới hạn đàn hồi cao và khối lượng riêng thấp.
  • Thiết lập công thức cân bằng mô men tại góc nghiêng $\theta$: $$T_m(\theta) = (m_1 \cdot a + m_2 \cdot L_{arm}) \cdot g \cdot \sin(\theta)$$ Mô men này được bù trừ trực tiếp thông qua mô men tiếp tuyến đàn hồi $T_r$ của khớp xoay mềm và mô men $T_P$ của lò xo phẳng.
  • Xác định giá trị độ cứng yêu cầu cho lò xo phẳng ($k_1$) và khớp xoay mềm ($k_2$) tương ứng với các cấp tải trọng từ 250 gam đến 1000 gam thông qua phương pháp giải tích cân bằng tĩnh (Bảng 3.3).
  • Đề xuất nguyên lý điều chỉnh độ cứng lò xo phẳng phi năng lượng: Lò xo phẳng được thiết kế gồm nhiều phân đoạn uốn liên tiếp. Bằng cách thay đổi số lượng phân đoạn tham gia chịu biến dạng (cố định tạm thời các mắt uốn bằng chốt chặn cơ khí khi hệ ở vị trí góc $\theta = 0^\circ$), độ cứng tương đương của lò xo sẽ thay đổi theo từng cấp tải trọng mà người thao tác không phải tác dụng ngoại lực để thắng lực đàn hồi ban đầu.

CHƯƠNG 4 PHÁT TRIỂN KHỚP XOAY MỀM

Chương 4 thực hiện thiết kế, phân tích và tối ưu hóa hai mô hình khớp xoay mềm độc lập:

  1. Mô hình khớp xoay mềm thứ nhất (kết hợp các lò xo xoắn phẳng):

    • Quy trình: Kết hợp mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM), phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM) và thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (PSO).
    • Biến thiết kế: Chiều dày lá lò xo xoắn ($t$) và bán kính không gian ($R$).
    • Kết quả tối ưu: Tìm được kích thước tối ưu với chiều dày $t = 0,94\text{ mm}$ và bán kính không gian $R = 40\text{ mm}$.
    • Kiểm định mô hình: So sánh giá trị dự đoán từ thuật toán với kết quả mô phỏng số FEA cho thấy sai số khối lượng là 6,1%, sai số biến dạng là 1,68%, và sai số ứng suất Von-Mises là 5,6%.

  2. Mô hình khớp xoay mềm thứ hai (khớp xoay tối ưu hình học phức hợp):

    • Quy trình: Tối ưu hóa cấu trúc Topo để tìm dạng hình học ban đầu $\rightarrow$ Mô phỏng FEM trích xuất dữ liệu $\rightarrow$ Xây dựng mô hình thay thế phi tuyến bằng mạng ANFIS $\rightarrow$ Tối ưu hóa kích thước bằng giải thuật lai WCA-MFO.
    • Các biến hình học tối ưu: Bán kính lượn $r_1$, chiều dày các dầm uốn $t_1, t_2$, chiều dài các phân đoạn $l_1, l_2$.
    • Kết quả tối ưu hóa: Đạt các kích thước $r_1 = 0,5\text{ mm}$, $t_1 = 0,36\text{ mm}$, $t_2 = 0,41\text{ mm}$, $l_1 = 11,3\text{ mm}$, $l_2 = 14,74\text{ mm}$.
    • Kiểm chứng sai số: Mô hình ANFIS và WCA-MFO cho sai số so với mô phỏng FEA lần lượt là 4,59% đối với mô men đầu ra, 4,16% đối với ứng suất cực đại và 4,73% đối với năng lượng biến dạng đàn hồi.

CHƯƠNG 5 PHÁT TRIỂN LÒ XO PHẲNG

Chương 5 phát triển hai quy trình thiết kế và tối ưu hóa kích thước cho lò xo phẳng đàn hồi:

  1. Mô hình lò xo phẳng thứ nhất:

    • Quy trình: Tích hợp mô phỏng FEM, quy hoạch thực nghiệm CCD, mô hình nội suy Kriging và thuật toán di truyền đa mục tiêu (MOGA).
    • Biến thiết kế: Chiều dài phân đoạn ($L$), chiều dày lá uốn ($t$), chiều rộng bản lò xo ($w$).
    • Phân tích độ nhạy: Đánh giá mức độ ảnh hưởng của tương tác giữa các cặp biến $(L, t)$, $(L, w)$, $(t, w)$ đến ứng suất, độ cứng và khối lượng.
    • Kết quả tối ưu: Chiều dài $L = 40,725\text{ mm}$, chiều dày $t = 0,940\text{ mm}$, chiều rộng $w = 9,602\text{ mm}$.
    • Độ chính xác mô hình: Sai số dự đoán so với mô phỏng FEA đạt dưới 0,001% về khối lượng, 5,78% về ứng suất Von-Mises, và 1,65% về biến dạng uốn.

  2. Mô hình lò xo phẳng thứ hai:

    • Quy trình: Kết hợp mô phỏng FEM, thiết kế thực nghiệm Taguchi $L_9$, mô hình hóa phi tuyến bằng mạng nơ ron học sâu truyền thẳng (DFNN) và thuật toán chu kỳ nước (WCA).
    • Biến thiết kế: Chiều dày $t$, chiều dài phân đoạn $L$, chiều rộng $w$, bán kính góc lượn $r$.
    • Đánh giá mô hình DFNN: Mô hình DFNN đạt hệ số tương quan $R^2$ vượt trội và sai số MSE thấp hơn đáng kể so với mô hình hồi quy tuyến tính cổ điển trên cả 3 hàm mục tiêu (biến dạng, ứng suất, năng lượng biến dạng đàn hồi).
    • Kết quả tối ưu: Chiều dày $t = 1,029\text{ mm}$, chiều dài $L = 45\text{ mm}$, chiều rộng $w = 9\text{ mm}$, bán kính góc lượn $r = 0,3\text{ mm}$.
    • Kiểm định sai số: Độ lệch giữa dự đoán và mô phỏng số là 1,87% về năng lượng tích trữ, 1,69% về biến dạng uốn và 3,06% về ứng suất tập trung.
Đối tượng kết cấu Quy trình thiết kế & Tối ưu hóa Thông số hình học tối ưu Sai số kiểm chứng (Dự đoán vs FEA)
Khớp xoay mềm (Mô hình 1) FEM + RSM + PSO $t = 0,94\text{ mm}$
$R = 40\text{ mm}$		 Khối lượng: 6,10%
Biến dạng: 1,68%
Ứng suất: 5,60%
Khớp xoay mềm (Mô hình 2) Topology + FEM + ANFIS + WCA-MFO $r_1 = 0,5\text{ mm}$
$t_1 = 0,36\text{ mm}$
$t_2 = 0,41\text{ mm}$
$l_1 = 11,3\text{ mm}$
$l_2 = 14,74\text{ mm}$		 Mô men: 4,59%
Ứng suất: 4,16%
Năng lượng: 4,73%
Lò xo phẳng (Mô hình 1) FEM + CCD + Kriging + MOGA $L = 40,725\text{ mm}$
$t = 0,940\text{ mm}$
$w = 9,602\text{ mm}$		 Khối lượng: < 0,001%
Ứng suất: 5,78%
Biến dạng: 1,65%
Lò xo phẳng (Mô hình 2) FEM + Taguchi + DFNN + WCA $t = 1,029\text{ mm}$
$L = 45\text{ mm}$
$w = 9\text{ mm}$
$r = 0,3\text{ mm}$		 Năng lượng: 1,87%
Biến dạng: 1,69%
Ứng suất: 3,06%

CHƯƠNG 6 THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG

Chương 6 trình bày quy trình chế tạo mẫu thử, thiết lập bàn đo thực nghiệm và đánh giá động học, lực học:

  • Chế tạo và lắp ráp: Các chi tiết cơ cấu mềm được chế tạo từ phôi hợp kim nhôm Al7075 bằng phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện (Wire-EDM) nhằm bảo đảm độ chính xác kích thước và hạn chế ứng suất dư nhiệt.
  • Thiết lập đo kiểm: Hệ thống đo lường tích hợp cảm biến lực loadcell (Bảng 6.1), cơ cấu gá quay chia độ chính xác và hệ thu thập dữ liệu chuyên dụng nhằm đo lực tiếp tuyến, từ đó quy đổi ra mô men uốn đàn hồi thực tế.
  • Khảo sát thực nghiệm: Tiến hành đo lường mô men tại các góc xoay khác nhau từ phương thẳng đứng ($0^\circ$), $15^\circ$ đến $30,6^\circ$ ứng với 6 cấp tải trọng làm việc: 250 gam, 400 gam, 600 gam, 800 gam, 900 gam và 1000 gam.
  • Kết quả kiểm chứng mô men: Tại vị trí góc lệch giới hạn $30,6^\circ$, sai số tương đối giữa mô men do khối lượng tải trọng sinh ra và mô men phản hồi do hệ thống đàn hồi tạo ra đạt mức rất thấp:
    • Tải trọng 0,25 kg (250 gr): Sai số 2,91%
    • Tải trọng 0,40 kg (400 gr): Sai số 4,50%
    • Tải trọng 0,60 kg (600 gr): Sai số 2,86%
    • Tải trọng 0,80 kg (800 gr): Sai số 3,27%
    • Tải trọng 0,90 kg (900 gr): Sai số 0,25%
    • Tải trọng 1,00 kg (1000 gr): Sai số 3,00%
  • Đánh giá khả năng điều chỉnh: Khi chuyển đổi các cấp tải, thao tác điều chỉnh số phân đoạn làm việc của lò xo phẳng diễn ra nhẹ nhàng, chứng minh cơ chế thay đổi độ cứng hoàn toàn không tiêu thụ năng lượng cơ học ngoài.
Cấp tải trọng thử nghiệm (kg) Mô men tải trọng quy định Mô men đo được từ cơ cấu Sai số tương đối tại góc 30,6° (%)
0,25 Đạt cân bằng thực nghiệm Phản hồi từ khớp & lò xo 2,91
0,40 Đạt cân bằng thực nghiệm Phản hồi từ khớp & lò xo 4,50
0,60 Đạt cân bằng thực nghiệm Phản hồi từ khớp & lò xo 2,86
0,80 Đạt cân bằng thực nghiệm Phản hồi từ khớp & lò xo 3,27
0,90 Đạt cân bằng thực nghiệm Phản hồi từ khớp & lò xo 0,25
1,00 Đạt cân bằng thực nghiệm Phản hồi từ khớp & lò xo 3,00

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án tự đúc kết các đóng góp mới về mặt khoa học lý thuyết và thực tiễn kỹ thuật như sau:

Đóng góp về mặt khoa học lý thuyết

  1. Đề xuất nguyên lý cơ cấu cân bằng trọng lực mới có kết cấu nhỏ gọn, hoạt động dựa trên sự phối hợp đồng trục giữa một khớp xoay mềm biến dạng uốn và một lò xo phẳng mềm có thể điều chỉnh độ cứng.
  2. Xây dựng thành công phương pháp và nguyên lý điều chỉnh độ cứng lò xo phẳng phi năng lượng, giải quyết được bài toán cân bằng tĩnh khi tải trọng thay đổi liên tục trong dải 250 gam đến 1000 gam mà không cần cung cấp nguồn lực ngoại vi.
  3. Đề xuất 4 quy trình tính toán, thiết kế và tối ưu hóa đa mục tiêu kết hợp linh hoạt giữa phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM) với các thuật toán học máy, mô hình bề mặt đáp ứng và thuật toán tiến hóa thông minh (FEM-RSM-PSO, Topology-FEM-ANFIS-WCA/MFO, FEM-CCD-Kriging-MOGA, FEM-Taguchi-DFNN-WCA).

Đóng góp về mặt thực tiễn kỹ thuật

  1. Xác định được bộ thông số hình học tối ưu cụ thể cho cả hai dạng kết cấu khớp xoay mềm và hai dạng lò xo phẳng mềm làm từ vật liệu hợp kim nhôm Al7075, bảo đảm điều kiện bền ứng suất và khả năng tích trữ năng lượng đàn hồi theo yêu cầu.
  2. Chế tạo thành công mô hình mẫu cơ cấu cân bằng trọng lực 1 bậc tự do hoàn chỉnh bằng công nghệ cắt dây tia lửa điện và chứng minh bằng thực nghiệm khả năng cân bằng tải trọng trong dải 0,25 - 1,0 kg với sai số mô men tối đa không quá 4,5%.
  3. Cung cấp một giải pháp cơ cấu trợ lực gọn nhẹ có tiềm năng ứng dụng trực tiếp trên các khung nẹp mang mặc hoặc xe lăn hỗ trợ vận động khớp khuỷu tay cho bệnh nhân đột quỵ và các cơ cấu chấp hành tay máy robot.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ vào phạm vi và nội dung trình bày trong văn bản luận án, các hạn chế kỹ thuật hiện tại và định hướng nghiên cứu tiếp theo được ghi nhận bao gồm:

Hạn chế của nghiên cứu

  • Cơ cấu cân bằng mới chỉ dừng lại ở mô hình một bậc tự do (1-DOF), tương ứng với chuyển động uốn - duỗi của khớp khuỷu tay trong một mặt phẳng cố định.
  • Phạm vi góc xoay cân bằng bị giới hạn trong khoảng từ 0 độ đến 30 độ, chưa mở rộng cho các chuyển động có biên độ lớn hơn của cánh tay người khỏe mạnh bình thường.
  • Dải tải trọng làm việc được thiết kế nằm trong khoảng 250 gam đến 1000 gam, chưa khảo sát đối với các mức tải trọng công nghiệp lớn hơn.
  • Thao tác khóa/mở các phân đoạn lò xo phẳng để điều chỉnh độ cứng trong mô hình thực nghiệm vẫn được thực hiện thủ công bằng tay (dù không tốn năng lượng lực uốn).

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Phát triển cơ cấu cân bằng trọng lực sử dụng cơ cấu mềm cho các hệ thống nhiều bậc tự do (multi-DOF), mô phỏng toàn diện không gian hoạt động của toàn bộ chi trên (khớp vai, khớp khuỷu và khớp cổ tay).
  • Nghiên cứu mở rộng góc làm việc của khớp xoay mềm vượt quá giới hạn 30 độ hiện tại mà vẫn bảo đảm độ bền mỏi và không xảy ra phá hủy dẻo vật liệu.
  • Thiết kế tích hợp cơ cấu chuyển đổi phân đoạn lò xo bán tự động hoặc tự động hóa bằng cơ chế gạt chốt siêu nhẹ.
  • Ứng dụng cơ cấu đã hoàn thiện vào việc chế tạo thiết bị hỗ trợ vận động chi trên thực tế để thử nghiệm lâm sàng trên đối tượng bệnh nhân.

Giá trị tham khảo

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận án mang lại giá trị tham khảo rõ ràng cho các nhóm đối tượng học thuật và kỹ thuật:

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử và Kỹ thuật Robot: Luận án là tài liệu tham khảo chi tiết về phương pháp luận thiết kế cơ cấu mềm (compliant mechanisms), kỹ thuật chia lưới và phân tích ứng suất phi tuyến trên phần mềm phần tử hữu hạn.
  • Các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực Tối ưu hóa kỹ thuật: Cung cấp quy trình từng bước kết hợp giữa quy hoạch thực nghiệm (Taguchi, CCD), mô hình học máy (Kriging, ANFIS, DFNN) và thuật toán phỏng sinh học (PSO, MOGA, WCA, WCA-MFO) để xử lý bài toán cơ học đa biến phức tạp.
  • Kỹ sư thiết kế thiết bị y sinh và robot phục hồi chức năng: Cung cấp giải pháp phần cứng cụ thể về cơ cấu cân bằng trọng lực bị động không dùng điện, giúp giảm khối lượng thiết bị đeo trên người, tăng thời lượng pin và nâng cao mức độ an toàn cho người bệnh.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án lại chọn phạm vi góc cân bằng là 0 đến 30 độ và dải tải trọng 250 đến 1000 gam?

Phạm vi này được xác lập trực tiếp từ số liệu y học phục hồi chức năng của người bệnh sau đột quỵ: các nghiên cứu lâm sàng của Cirstea (2000) và Reinkensmeyer (2001) chỉ ra rằng biên độ hoạt động của khớp khuỷu tay bệnh nhân bị hạn chế dưới 30 độ (khoảng 20 đến 27,6 độ). Đồng thời, tải trọng các đồ vật sử dụng trong sinh hoạt cá nhân hằng ngày như thìa, cốc nước, bàn chải không vượt quá 1 kg (1000 gam).

2. Nguyên lý điều chỉnh độ cứng "phi năng lượng" của lò xo phẳng trong luận án hoạt động như thế nào?

Cơ cấu lò xo phẳng được thiết kế gồm chuỗi nhiều phân đoạn biến dạng uốn nối tiếp. Việc điều chỉnh độ cứng được thực hiện khi cơ cấu ở vị trí gốc ($\theta = 0^\circ$). Tại vị trí này, lò xo hoàn toàn không tích trữ thế năng đàn hồi. Bằng cách cố định hoặc giải phóng các mắt uốn tương ứng, số phân đoạn uốn làm việc thay đổi dẫn đến độ cứng tổng thể thay đổi theo từng cấp tải trọng định mức mà người thao tác không cần phải sinh công để thắng lực đàn hồi như các phương pháp tạo biến dạng căng trước truyền thống.

3. Hai mô hình khớp xoay mềm trong luận án khác nhau ở điểm nào về phương pháp thiết kế?

Mô hình thứ nhất được xây dựng từ kết cấu lò xo xoắn phẳng truyền thống, sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm RSM kết hợp thuật toán tối ưu bầy đàn (PSO) để xác định chiều dày lá uốn ($t$) và bán kính không gian ($R$). Mô hình thứ hai sử dụng phương pháp tối ưu hóa cấu trúc Topo để tìm phân bố vật liệu không gian tối ưu ban đầu, sau đó dùng mạng nơ ron mờ thích nghi (ANFIS) lập mô hình thay thế và dùng thuật toán lai chu kỳ nước - con thiêu thân (WCA-MFO) để tối ưu hóa 5 kích thước hình học chi tiết ($r_1, t_1, t_2, l_1, l_2$).

4. Kết quả thực nghiệm tại góc nghiêng 30,6 độ cho thấy sai số mô men dao động trong khoảng bao nhiêu?

Theo số liệu đo đạc thực nghiệm tại Chương 6, sai số tương đối giữa mô men trọng trường do khối lượng tạo ra và mô men phản hồi đàn hồi từ cơ cấu dao động từ 0,25% đến 4,50% trên toàn bộ 6 mức tải trọng khảo sát (2,91% ở 250 g; 4,50% ở 400 g; 2,86% ở 600 g; 3,27% ở 800 g; 0,25% ở 900 g; và 3,00% ở 1000 g).

5. Thuật toán chu kỳ nước (WCA) và mạng nơ ron học sâu (DFNN) đóng vai trò gì trong việc phát triển lò xo phẳng thứ hai?

Mạng nơ ron học sâu truyền thẳng (DFNN) được huấn luyện từ dữ liệu mô phỏng phần tử hữu hạn phân bố theo ma trận Taguchi $L_9$ để đóng vai trò là hàm xấp xỉ phi tuyến thay thế, phản ánh mối quan hệ giữa kích thước lò xo với năng lượng biến dạng, biến dạng và ứng suất. Thuật toán chu kỳ nước (WCA) sau đó tìm kiếm trong không gian nghiệm của mô hình DFNN để xác định bộ thông số kích thước tối ưu ($t = 1,029\text{ mm}$, $L = 45\text{ mm}$, $w = 9\text{ mm}$, $r = 0,3\text{ mm}$) với sai số kiểm chứng dưới 3,1%.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Châu Ngọc Lê đã giải quyết thành công bài toán thiết kế cơ cấu cân bằng trọng lực một bậc tự do cho thiết bị hỗ trợ vận động chi trên thông qua việc ứng dụng cơ cấu mềm nguyên khối bằng hợp kim nhôm Al7075. Điểm cốt lõi của công trình là đề xuất được nguyên lý điều chỉnh độ cứng lò xo phẳng phi năng lượng, duy trì trạng thái cân bằng tĩnh chính xác trong dải góc 0 - 30 độ và tải trọng 250 - 1000 gam. Tác giả đã thiết lập hệ thống 4 quy trình thiết kế tối ưu tích hợp giữa mô phỏng phần tử hữu hạn, các mô hình học máy (ANFIS, DFNN, Kriging) và các thuật toán tối ưu hóa thông minh (PSO, MOGA, WCA, WCA-MFO). Kết quả kiểm chứng thực nghiệm khẳng định cơ cấu đạt sai số mô men uốn rất thấp (dưới 4,5%), tạo tiền đề kỹ thuật vững chắc cho việc ứng dụng trên các thiết bị tập luyện phục hồi chức năng và robot trợ lực y tế.