Phát Triển và Tối Ưu Hóa Cơ Cấu Cân Bằng Trọng Lực Sử Dụng Cơ Cấu Mềm Ngành Kỹ Thuật Cơ Khí

Khám phá phương pháp phát triển và tối ưu hóa cơ cấu cân bằng trọng lực với cơ cấu mềm, nâng cao hiệu suất và ứng dụng trong công nghệ.

• Tác giả: Châu Ngọc Lê
• Người hướng dẫn: TS. Đào Thanh Phong
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Phát Triển Và Tối Ưu Hóa Cơ Cấu Cân Bằng Trọng Lực Sử Dụng Cơ Cấu Mềm
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• CẢM TẠ
• TÓM TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ CƠ CẤU CÂN BẰNG TRỌNG LỰC SỬ DỤNG CƠ CẤU MỀM
• 4. CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH VÀ TỐI ƯU HÓA KHỚP XOAY MỀM
• 5. CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ VÀ TỐI ƯU HÓA LÒ XO PHẲNG
• 6. CHƯƠNG 6: CHẾ TẠO VÀ THIẾT LẬP THỰC NGHIỆM CƠ CẤU CÂN BẰNG TRỌNG LỰC
• PHỤ LỤC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Tối Ưu Hóa Cơ Cấu Cân Bằng Trọng Lực 55 ký tự

Cơ cấu cân bằng trọng lực đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng kỹ thuật cơ khí, đặc biệt trong các thiết bị hỗ trợ vận động và công nghiệp tự động hóa. Mục tiêu chính là giảm thiểu hoặc loại bỏ ảnh hưởng của trọng lực, cho phép hệ thống hoạt động mượt mà và hiệu quả hơn. Điều này đặc biệt quan trọng khi di chuyển các vật nặng, giảm lực tác dụng lên động cơ và kéo dài tuổi thọ của thiết bị. Việc tối ưu hóa cơ cấu này không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn giảm tiêu thụ năng lượng, một yếu tố then chốt trong thiết kế bền vững. Các nghiên cứu về cơ cấu cân bằng trọng lực sử dụng cơ cấu mềm đang được quan tâm, nhằm đạt được kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ và khả năng điều chỉnh tải trọng linh hoạt. Ứng dụng của cơ cấu cân bằng trọng lực rất đa dạng, từ robot công nghiệp, thiết bị y tế đến các hệ thống treo trong ô tô. "Khi một vật được di chuyển bằng thiết bị có sử dụng cơ cấu cân bằng trọng lực, thì nó được xem như di chuyển trong môi trường lý tưởng. Lúc này, năng lượng cần thiết để di chuyển vật gần như bằng không". (Châu Ngọc Lê, 2023).

1.1. Vai Trò của Cân Bằng Trọng Lực Trong Kỹ Thuật Cơ Khí

Cơ cấu cân bằng trọng lực giúp giảm lực cần thiết để di chuyển vật thể, từ đó giảm tải cho động cơ và tăng tuổi thọ của hệ thống. Ứng dụng rộng rãi trong robot, thiết bị y tế, và hệ thống treo. Hiệu quả năng lượng là một ưu điểm lớn, giảm đáng kể chi phí vận hành. Độ ổn định cơ cấu được cải thiện, giảm rung lắc và tăng độ chính xác của hoạt động. Nghiên cứu tập trung vào thiết kế nhỏ gọn, nhẹ và dễ điều chỉnh. Cân bằng trọng lực là yếu tố then chốt để đạt hiệu suất cao trong nhiều ứng dụng.

1.2. Lợi Ích Của Tối Ưu Hóa Cơ Cấu Cân Bằng Trọng Lực

Việc tối ưu hóa mang lại nhiều lợi ích như giảm tiêu thụ năng lượng, tăng độ bền và độ tin cậy của thiết bị. Thiết kế cơ cấu được tinh chỉnh để đạt hiệu suất tối đa. Độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống được nâng cao. Giảm thiểu lực tác dụng lên các bộ phận khác, kéo dài tuổi thọ. Phân tích cơ cấu đóng vai trò quan trọng trong quá trình tối ưu hóa. Các phương pháp mô phỏng cơ cấu giúp dự đoán hiệu suất và tìm ra các điểm yếu.

1.3. Ứng Dụng Tiêu Biểu của Cơ Cấu Cân Bằng Trọng Lực

Ứng dụng rộng rãi trong robot công nghiệp để nâng và di chuyển vật nặng một cách dễ dàng. Trong lĩnh vực y tế, được sử dụng trong các thiết bị hỗ trợ vận động cho người khuyết tật hoặc bệnh nhân phục hồi chức năng. Các hệ thống treo trong ô tô sử dụng cơ cấu này để cải thiện sự thoải mái và ổn định khi lái xe. Ngoài ra, còn được áp dụng trong các thiết bị thể thao và nhiều ứng dụng công nghiệp khác. Các ứng dụng thực tế này chứng minh tầm quan trọng của cơ cấu cân bằng trọng lực.

II. Thách Thức Trong Thiết Kế Cơ Cấu Cân Bằng Trọng Lực 57 ký tự

Thiết kế một cơ cấu cân bằng trọng lực hiệu quả đòi hỏi sự cân bằng giữa nhiều yếu tố, bao gồm kích thước, trọng lượng, độ chính xác và khả năng điều chỉnh. Một trong những thách thức lớn nhất là duy trì trạng thái cân bằng trong khi tải trọng thay đổi. Bài toán tối ưu trở nên phức tạp khi phải xem xét nhiều biến số và ràng buộc. Sử dụng vật liệu chế tạo cơ cấu phù hợp cũng là một yếu tố quan trọng, ảnh hưởng đến độ bền và tuổi thọ của thiết bị. Các nghiên cứu gần đây tập trung vào việc sử dụng cơ cấu mềm để giải quyết các thách thức này, nhưng vẫn còn nhiều vấn đề cần được giải quyết. Thiết kế tối ưu đòi hỏi phải xem xét nhiều yếu tố và cần các công cụ mô phỏng và phân tích hiện đại.

2.1. Vấn Đề Về Kích Thước Và Trọng Lượng Trong Thiết Kế

Trong nhiều ứng dụng, đặc biệt là trong thiết bị y tế và robot di động, kích thước và trọng lượng là những yếu tố quan trọng cần được tối ưu. Thiết kế cần đảm bảo cơ cấu cân bằng trọng lực nhỏ gọn và nhẹ để dễ dàng tích hợp vào hệ thống tổng thể. Giảm thiểu lực tác dụng là mục tiêu quan trọng để giảm kích thước động cơ. Phân tích cơ cấu giúp xác định các vùng cần gia cường hoặc giảm vật liệu.

2.2. Duy Trì Độ Ổn Định Khi Tải Trọng Thay Đổi Giải pháp

Một thách thức lớn là duy trì trạng thái cân bằng khi tải trọng thay đổi. Điều này đòi hỏi cơ cấu phải có khả năng tự điều chỉnh hoặc có hệ thống điều khiển phản hồi. Nguyên lý cân bằng trọng lực cần được áp dụng một cách linh hoạt. Các phương pháp tối ưu hóa cơ cấu động giúp cải thiện độ ổn định. Độ chính xác của hệ thống cảm biến và điều khiển cũng ảnh hưởng đến khả năng duy trì cân bằng.

2.3. Ảnh Hưởng Của Vật Liệu Chế Tạo Cơ Cấu Đến Hiệu Suất

Vật liệu chế tạo cơ cấu có ảnh hưởng lớn đến độ bền, độ cứng và tuổi thọ của thiết bị. Việc lựa chọn vật liệu phù hợp là một phần quan trọng trong quá trình thiết kế. Vật liệu chế tạo cơ cấu cần có độ bền cao và khả năng chịu tải tốt. Phân tích cơ cấu ứng suất và biến dạng giúp đánh giá hiệu suất của vật liệu. Các vật liệu composite và hợp kim nhẹ đang được nghiên cứu để cải thiện hiệu suất.

III. Phương Pháp Tối Ưu Hóa Cơ Cấu Cân Bằng Trọng Lực 59 ký tự

Có nhiều phương pháp tối ưu hóa cơ cấu cân bằng trọng lực, từ các phương pháp truyền thống dựa trên phân tích cơ cấu đến các phương pháp hiện đại sử dụng thuật toán và phần mềm mô phỏng. Các thuật toán tối ưu hóa như thuật toán di truyền và thuật toán bầy đàn được sử dụng để tìm kiếm các thiết kế tối ưu. Phần mềm thiết kế cơ khí như ANSYS và SolidWorks cung cấp các công cụ mạnh mẽ để mô phỏng và phân tích hiệu suất của cơ cấu. Các phương pháp này giúp giảm thiểu thời gian và chi phí thiết kế, đồng thời cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của thiết bị. Các nghiên cứu sử dụng phương pháp tối ưu hóa kết hợp nhiều yếu tố đang được quan tâm.

3.1. Sử Dụng Phần Mềm Thiết Kế Cơ Khí Cho Mô Phỏng Cơ Cấu

Phần mềm thiết kế cơ khí như SolidWorks, AutoCAD, và CATIA cung cấp các công cụ mạnh mẽ để thiết kế và mô phỏng cơ cấu cân bằng trọng lực. Các công cụ này cho phép người dùng tạo ra các mô hình 3D chi tiết và phân tích hiệu suất của cơ cấu dưới các điều kiện khác nhau. Mô phỏng cơ cấu giúp xác định các điểm yếu và tối ưu hóa thiết kế trước khi chế tạo. Độ chính xác của mô phỏng phụ thuộc vào độ chính xác của mô hình và các thông số đầu vào.

3.2. Áp Dụng Thuật Toán Tối Ưu Hóa Tìm Kiếm Thiết Kế Tối Ưu

Các thuật toán tối ưu hóa như thuật toán di truyền, thuật toán bầy đàn và thuật toán chu kỳ nước có thể được sử dụng để tìm kiếm các thiết kế tối ưu cho cơ cấu cân bằng trọng lực. Các thuật toán này tự động tìm kiếm các giá trị tham số thiết kế tốt nhất để đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất, kích thước và trọng lượng. Bài toán tối ưu có thể có nhiều mục tiêu khác nhau, ví dụ như giảm trọng lượng và tăng độ cứng. Độ tin cậy của thuật toán phụ thuộc vào lựa chọn hàm mục tiêu và các ràng buộc.

3.3. Kết Hợp Phân Tích Phần Tử Hữu Hạn FEM Trong Tối Ưu Hóa

Phân tích phần tử hữu hạn (FEM) là một công cụ mạnh mẽ để phân tích ứng suất, biến dạng và độ ổn định của cơ cấu cân bằng trọng lực. FEM có thể được sử dụng để xác định các vùng chịu ứng suất cao và tối ưu hóa hình dạng của cơ cấu để giảm thiểu ứng suất. Độ chính xác của kết quả FEM phụ thuộc vào độ mịn của lưới và các tham số vật liệu. FEM thường được kết hợp với các thuật toán tối ưu hóa để tìm kiếm các thiết kế tối ưu.

IV. Nghiên Cứu Ứng Dụng Cơ Cấu Mềm Trong Cân Bằng 58 ký tự

Việc sử dụng cơ cấu mềm trong cơ cấu cân bằng trọng lực mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ và khả năng điều chỉnh linh hoạt. Thiết kế cơ cấu mềm đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về cơ học vật liệu và phương pháp phân tích cơ cấu. Các nghiên cứu gần đây tập trung vào việc phát triển các phương pháp tối ưu hóa đặc biệt cho cơ cấu mềm. Ứng dụng thực tế của cơ cấu mềm trong thiết bị y tế và robot đang ngày càng tăng. Châu Ngọc Lê (2023) đã nghiên cứu và đề xuất nguyên lý cân bằng với tổng momen tác dụng bằng không, kết hợp giữa lò xo phẳng và khớp xoay mềm để tối ưu hóa cơ cấu.

4.1. Ưu Điểm Của Cơ Cấu Mềm So Với Cơ Cấu Truyền Thống

Cơ cấu mềm có kích thước nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ hơn so với cơ cấu truyền thống. Chúng có khả năng biến dạng lớn mà không bị hỏng, giúp hấp thụ năng lượng và giảm rung động. Độ bền của cơ cấu mềm có thể cao hơn trong một số ứng dụng nhất định. Ứng dụng thực tế trong môi trường khắc nghiệt hoặc yêu cầu độ chính xác cao.

4.2. Thiết Kế Cơ Cấu Mềm Phương Pháp Phân Tích và Tối Ưu

Thiết kế cơ cấu mềm đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về cơ học vật liệu và phương pháp phân tích phi tuyến. Các phương pháp tối ưu hóa topo và tối ưu hóa kích thước được sử dụng để tìm kiếm các hình dạng tối ưu cho cơ cấu mềm. Phân tích cơ cấu bằng FEM đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất và độ tin cậy.

4.3. Ứng Dụng Của Cơ Cấu Mềm Trong Thiết Bị Y Tế Robot

Cơ cấu mềm được sử dụng trong các thiết bị y tế như robot phẫu thuật và thiết bị hỗ trợ vận động. Trong robot, chúng được sử dụng để tạo ra các khớp linh hoạt và có khả năng thích ứng với môi trường. Ứng dụng thực tế ngày càng mở rộng do ưu điểm về kích thước, trọng lượng và khả năng điều khiển linh hoạt. Độ chính xác và độ tin cậy là yếu tố quan trọng trong các ứng dụng này.

V. Ứng Dụng Thực Tế Giải Pháp Cân Bằng Trọng Lực 55 ký tự

Ứng dụng thực tế của cơ cấu cân bằng trọng lực rất đa dạng, từ robot công nghiệp đến thiết bị y tế và hàng không vũ trụ. Trong robot công nghiệp, cơ cấu này giúp nâng và di chuyển các vật nặng một cách dễ dàng, giảm tải cho động cơ và tăng tuổi thọ của thiết bị. Trong thiết bị y tế, cơ cấu cân bằng trọng lực được sử dụng trong các thiết bị hỗ trợ vận động cho người khuyết tật, giúp họ di chuyển và thực hiện các hoạt động hàng ngày một cách dễ dàng hơn. Trong hàng không vũ trụ, cơ cấu này được sử dụng để cân bằng trọng lượng của các bộ phận trong tàu vũ trụ và vệ tinh, giúp chúng hoạt động ổn định hơn.

5.1. Cơ Cấu Cân Bằng Trọng Lực Trong Robot Công Nghiệp

Cơ cấu cân bằng trọng lực đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của robot công nghiệp. Giảm tải cho động cơ, tăng tốc độ và độ chính xác của chuyển động. Ứng dụng thực tế trong các dây chuyền sản xuất tự động và kho bãi. Thiết kế cơ cấu cần đáp ứng các yêu cầu về tải trọng, không gian và tốc độ.

5.2. Thiết Bị Y Tế Cân Bằng Trọng Lực Hỗ Trợ Vận Động

Trong lĩnh vực y tế, cơ cấu cân bằng trọng lực được sử dụng để tạo ra các thiết bị hỗ trợ vận động cho người khuyết tật và bệnh nhân phục hồi chức năng. Giúp giảm lực cần thiết để di chuyển tay, chân, cải thiện khả năng vận động và tăng cường sự độc lập. Ứng dụng thực tế trong các thiết bị tập luyện, xe lăn và tay giả.

5.3. Hàng Không Vũ Trụ Ứng Dụng Cân Bằng Trọng Lực

Trong hàng không vũ trụ, cơ cấu cân bằng trọng lực được sử dụng để cân bằng trọng lượng của các bộ phận trong tàu vũ trụ và vệ tinh. Giúp giảm tải cho hệ thống điều khiển và đảm bảo hoạt động ổn định trong môi trường không trọng lực. Ứng dụng thực tế trong các hệ thống định vị, điều khiển và truyền thông.

VI. Triển Vọng Tương Lai Tối Ưu Hóa Cơ Cấu Cân Bằng 57 ký tự

Nghiên cứu và phát triển cơ cấu cân bằng trọng lực vẫn còn nhiều tiềm năng phát triển trong tương lai. Các hướng nghiên cứu chính bao gồm phát triển các phương pháp tối ưu hóa mới, sử dụng vật liệu tiên tiến và tích hợp các hệ thống điều khiển thông minh. Mục tiêu là tạo ra các cơ cấu cân bằng trọng lực hiệu quả hơn, nhỏ gọn hơn và có khả năng thích ứng với nhiều ứng dụng khác nhau. Bài toán tối ưu sẽ ngày càng phức tạp hơn khi yêu cầu hiệu suất cao hơn. Ứng dụng thực tế sẽ tiếp tục mở rộng sang các lĩnh vực mới.

6.1. Phát Triển Thuật Toán Tối Ưu Hóa Mới Hiệu Quả Hơn

Cần phát triển các thuật toán tối ưu hóa mới có khả năng tìm kiếm các thiết kế tối ưu nhanh hơn và chính xác hơn. Các thuật toán này cần có khả năng xử lý các bài toán phức tạp với nhiều biến số và ràng buộc. Độ chính xác và độ tin cậy của thuật toán là yếu tố quan trọng. Cần có sự kết hợp giữa các thuật toán khác nhau để đạt hiệu quả tối đa.

6.2. Sử Dụng Vật Liệu Tiên Tiến Hướng Phát Triển Mới

Vật liệu tiên tiến như vật liệu composite, hợp kim nhẹ và vật liệu thông minh có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất của cơ cấu cân bằng trọng lực. Các vật liệu này có độ bền cao, độ cứng lớn và khả năng chịu nhiệt tốt. Phân tích cơ cấu cần được thực hiện để đánh giá hiệu suất của vật liệu mới.

6.3. Tích Hợp Hệ Thống Điều Khiển Thông Minh Tự Động Hóa

Tích hợp các hệ thống điều khiển thông minh có thể giúp cơ cấu cân bằng trọng lực tự động điều chỉnh để đáp ứng các thay đổi về tải trọng và điều kiện làm việc. Hệ thống điều khiển có thể sử dụng các cảm biến để thu thập thông tin và sử dụng các thuật toán để điều khiển cơ cấu. Độ chính xác của hệ thống điều khiển là yếu tố quan trọng. Cần có sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm để tạo ra một hệ thống điều khiển hiệu quả.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN .1 Giới thiệu chung .1 Cơ cấu cân bằng trọng lực .1 Cân bằng trọng lực chủ động .2 Cân bằng trọng lực bị động .2 Ưu điểm của cơ cấu mềm.3 Nhược điểm .4 Ứng dụng của cơ cấu mềm .2 Các nghiên cứu liên quan .1 Nghiên cứu trong nước .1 Nghiên cứu về cơ cấu cân bằng trọng lực .2 Nghiên cứu về cơ cấu mềm .2 Những nghiên cứu ngoài nước .1 Trong lĩnh vực cơ cấu cân bằng .2 Trong lĩnh vực cơ cấu mềm .3 Tính cấp thiết và ý nghĩa khoa học của đề tài .1 Tính cấp thiết .2 Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài .4 Mục tiêu nghiên cứu .5 Đối tượng nghiên cứu .6 Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu .1 Nhiệm vụ nghiên cứu .2 Phạm vi nghiên cứu .7 Phương pháp nghiên cứu. 24 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT .1 Cơ cấu cân bằng trọng lực .1 Nguyên lý cân bằng trọng lực .2 Nguyên lý điều chỉnh cho cơ cấu cân bằng trọng lực .1 Điều chỉnh điểm kết nối của lò xo .2 Điều chỉnh độ cứng của lò xo .2 Thiết kế thực nghiệm .1 Thiết kế thực nghiệm đầy đủ yếu tố .2 Thiết kế thực nghiệm tổng hợp trung tâm .3 Thiết kế thực nghiệm sử dụng mảng trực giao Taguchi .3 Phương pháp mô hình hóa .1 Phương pháp phần tử hữu hạn.2 Chất lượng lưới .2 Phương pháp mạng nơ ron học sâu .3 Phương pháp đáp ứng bề mặt .4 Mạng nơ ron thích nghi mờ .4 Phương pháp tối ưu hóa.1 Thuật toán tối ưu hóa di truyền đa mục tiêu .2 Thuật toán chu kỳ nước .3 Thuật toán tối ưu hóa bầy đàn .4 Thuật toán tối ưu hóa chu kỳ nước kết hợp con thiêu thân .1 Thuật toán con thiêu thân .2 Kết hợp thuật toán chu kỳ nước với thuật toán con thiêu thân. 47 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CƠ CẤU CÂN BẰNG TRỌNG LỰC .1 Mục tiêu thiết kế .2 Đề xuất quy trình thiết kế .3 Lựa chọn vật liệu cho thiết kế .4 Thiết kế nguyên lý .5 Tính độ cứng của lò xo .6 Nguyên lý điều chỉnh độ cứng của lò xo .1 Nguyên lý điều chỉnh .2 Điều chỉnh độ cứng của lò xo. 59 CHƯƠNG 4 PHÁT TRIỂN KHỚP XOAY MỀM.1 Yêu cầu thiết kế .2 Phát triển khớp xoay mềm dựa trên FEM kết hợp RSM và PSO.2 Thiết kế khớp xoay .3 Đề xuất quy trình thiết kế khớp xoay .4 Thiết kế khớp xoay .1 Bài toán tối ưu .2 Mô hình hóa các đặc tính của khớp xoay mềm.3 Kết quả tối ưu hóa .5 Xác nhận kết quả tối ưu.3 Phát triển khớp xoay mềm dựa trên phương pháp Topology kết hợp FEM, DFNN và thuật toán WCMFO .2 Đề xuất quy trình thiết kế, tối ưu .1 Tối ưu hóa cấu trúc Topo (Topology) .2 Xây dựng mô hình xấp xỉ bằng mạng nơ ron thích nghi mờ .3 Tối ưu hóa kích thước .3 Bài toán tối ưu .4 Kết quả và thảo luận .1 Thiết kế ban đầu của khớp xoay .2 Kết quả tối ưu cấu trúc Topo (Topology) .3 Tối ưu hóa kích thước .4 Xác nhận kết quả.

92 CHƯƠNG 5 PHÁT TRIỂN LÒ XO PHẲNG .1 Yêu cầu của lò xo phẳng .2 Phát triển lò xo phẳng sử dụng FEM kết hợp RSM và MOGA .2 Thiết kế cấu trúc cho lò xo phẳng .3 Xây dựng bài toán tối ưu .1 Biến thiết kế .2 Hàm mục tiêu .4 Đề xuất quy trình thiết kế tối ưu .5 Kết quả và thảo luận .1 Đánh giá thiết kế ban đầu.2 Mô phỏng số.3 Mô hình Kriging.4 Đánh giá độ nhạy .5 Kết quả tối ưu .6 Đánh giá kết quả tối ưu .3 Phát triển và tối ưu lò xo phẳng dựa trên FEM, DFNN và WCA .2 Thiết kế kết cấu .3 Bài toán tối ưu .1 Biến thiết kế .2 Hàm mục tiêu .3 Hàm ràng buộc .4 Đề xuất quy trình thiết kế, tối ưu .1 Giai đoạn 1: Thiết kế cơ khí.2 Giai đoạn 2: Tạo dữ liệu số .3 Giai đoạn 3: Mô hình hóa bằng DFNN .4 Giai đoạn 4: Tối ưu hóa sử dụng thuật toán chu kỳ nước .5 Kết quả và thảo luận .1 Thu thập dữ liệu .2 Tối ưu hóa cấu trúc của DFNN .3 Kết quả tối ưu .4 Xác nhận kết quả tối ưu. 126 CHƯƠNG 6 THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG .1 Mô hình cơ cấu cân bằng trọng lực .2 Chế tạo và lắp ráp cơ cấu cân bằng trọng lực.3 Thiết lập thực nghiệm .4 Kết quả và thảo luận. 142 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. Hướng nghiên cứu trong tương lai.

145 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 173 xx DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT FEM: Phương pháp phần tử hữu hạn FEA: Phân tích phần tử hữu hạn CCD: Thiết kế tổng hợp trung tâm RMSE: Sai số bình phương trung bình MRR: Sai số tương đối RRMSE: Sai số bình phương tương đối RSM: Phương pháp đáp ứng bề mặt ANFIS: Mạng nơ ron mờ thích nghi DFNN: Mạng nơ ron học sâu MOGA: Thuật toán tối ưu hóa di truyền đa mục tiêu WCA: Thuật toán chu kỳ nước PSO: Thuật toán tối ưu hóa bầy đàn MF: Thuật toán con thiêu thân DE: Thuật toán tiến hóa vi phân ER-WCA: Thuật toán chu kỳ nước dựa trên bốc hơi S/N: Tỉ số tín hiệu trên nhiễu R2: Hệ số xác định R2ad: Hệ số xác định hiệu chỉnh Topology: Tối ưu hóa cấu trúc Topo FZLC: Lò xo có chiều dài tự do bằng không ANOVA: Phân tích phương sai xxi DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU KHOA HỌC Tr: Mô men xoắn của khớp xoay TP: Mô men xoắn của lò xo phẳng Tm: Mô men của khối lượng : Góc xoay của cơ cấu cân bằng Fr : Lực tiếp tuyến do khớp xoay tạo ra Fp : Lực đàn hồi của lò xo phẳng L: Chiều dài D: Đường kính w: Chiều rộng t: Chiều dày : Ứng suất m1 : Khối lượng của thanh liên kết m2 : Khối lượng của tải trọng g: Gia tốc trọng trường a, b: Khoảng cách từ tâm đến điểm kết nối của lò xo a, b: Lượng thay đổi của khoảng cách từ tâm đến điểm kết nối m: Giá trị khối lượng thay đổi K: Giá trị độ cúng lò xo thay đổi y: Giá trị đáp ứng xxii : Hằng số hồi quy : Sai số P: Giá trị của hàm đầu ra f: Hàm mục tiêu rand: Một số ngẫu nhiên không âm X: Vec tơ biến thiết kế d: Dung sai M: Mô men tác dụng ch: Giới hạn bền chảy của vật liệu E: Mô đun đàn hồi của vật liệu [S]: Hệ số an toàn cho phép xxiii DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Thiết bị hỗ trợ vận động cánh tay [9] .2: Cơ cấu cân bằng trọng lực theo nguyên lý cơ cấu Scotch Yoke [30] .3: Cơ cấu cân bằng trọng lực sử dụng cơ cấu mềm [29] .4: Cơ cấu cân bằng 1 bậc tự do tự điều chỉnh [11] .5: Cơ cấu cân bằng trọng lực tự điều chỉnh [57] .1: Mô hình tĩnh học của cơ cấu cân bằng trọng lực .2: Cấu trúc của DFNN .3: Cấu trúc mạng nơ ron thích nghi mờ .1: Lò xo có chiều dài tự do bằng 0: a) chiều dài bằng 0, b) chiều dài l .2: Sơ đồ nguyên lý của cơ cấu .3: Cấu tạo của lò xo phẳng .4: Mô hình hóa của lò xo phẳng .5: Mối quan hệ giữa số phân đoạn làm việc và độ cứng .7: Độ cứng của lò xo: a) trạng thái 1, b) trạng thái 2 .1: Kết cấu của khớp xoay mềm .2: Mô hình chia lưới .3: Giá trị Skewness .4: Phân tích độ nhạy cho khối lượng .5: Phân tích độ nhạy cho ứng suất.6: Kết quả FEA cho ứng suất .7: Thiết kế ban đầu của khớp xoay: a) mô hình 1, b) mô hình 2 .8: Kết quả Topology: a) mô hình 1, b) mô hình 2.9: Cấu trúc thiết kế của khớp xoay: a) thiết kế 1, b) thiết kế 2 .10: Kết quả kiểm tra ứng suất: a) thiết kế 1, b) thiết kế 2 .11: Thiết kế của khớp xoay .12: Giá trị S/N của RSME cho ứng suất .13: Giá trị S/N của RSME cho mô men .14: Giá trị S/N của RSME cho năng lượng .15: Kết quả FEA của ứng suất .16: Kết quả FEA của năng lượng .1: Cấu trúc của lò xo phẳng.2: Mô hình chia lưới và điều kiện biên .3: Chất lượng lưới theo tiêu chuẩn Skewness .4: Biểu đồ biểu diễn tính phù hợp của mô hình xấp xỉ: a) mô hình Kriging, .5: Ảnh hưởng của L và t: a) biến dạng, b) khối lượng và c) ứng suất .6: Ảnh hưởng của L và w: a) biến dạng, b) khối lượng và c) ứng suất .7: Ảnh hưởng của t và w: a) biến dạng, b) khối lượng và c) ứng suất .8: Biểu đồ phân tích độ nhạy.9: Kết cấu lò xo phẳng.10: Thông số của một phân đoạn .11: Mô hình chia lưới và điều kiện biên .12: Chất lượng lưới theo tiêu chuẩn Skewness .13: Kết quả phân tích S/N cho mô hình biến dạng .14: Kết quả phân tích S/N cho mô hình ứng suất .15: Kết quả phân tích S/N cho mô hình năng lượng biến dạng.16: Sự phù hợp của mô hình: a) biến dạng b) ứng suất, c) năng lượng .1: Mô hình 3D của cơ cấu cân bằng trọng lực .2: Cơ cấu cân bằng trọng lực.6: Mô hình thực nghiệm .7: Lực tiếp tuyến và đàn hồi ứng với tải 0,25 kG .8: Lực tiếp tuyến và đàn hồi ứng với tải 0,4 kG .9: Lực tiếp tuyến và đàn hồi ứng với tải 0,6 kG .10: Lực tiếp tuyến và đàn hồi ứng với tải 0,8 kG .11: Lực tiếp tuyến và đàn hồi ứng với tải 0,9 kG .12: Lực tiếp tuyến và đàn hồi ứng với tải 1 kG .13: Đồ thị biểu diễn mô men cân bằng với tải 0,25 kG .14: Đồ thị biểu diễn mô men cân bằng với tải 0,4 kG .15: Đồ thị biểu diễn mô men cân bằng với tải 0,6 kG .16: Đồ thị biểu diễn mô men cân bằng với tải 0,8 kG .17: Đồ thị biểu diễn mô men cân bằng với tải 0,9 kG .18: Đồ thị biểu diễn mô men cân bằng với tải 1 kG .19: Cơ cấu cân bằng với tải 0,25 kG: a) thẳng đứng, b) 15o, c) 30o .20: Cơ cấu cân bằng với tải 1 kG: a) thẳng đứng, b) 15o, c) 30o. 141 xxvi DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 1.1: Các nghiên cứu về cơ cấu cân bằng .1: Giá trị Skewness và chất lượng lưới [77] .1: Cơ tính của vật liệu Al7075 .2: Thông số của cơ cấu cân bằng đề xuất .3: Giá trị độ cứng k1 và k2 .1: Phân mức biến thiết kế .2: Kết quả mô phỏng .3: Kết quả phân tích phương sai cho khối lượng .4: Kết quả phân tích phương sai cho góc xoay .5: Kết quả phân tích phương sai cho ứng suất .6: Kiểm định tính chính xác của mô hình .7: Kết quả tối ưu.