CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Cơ cấu cân bằng trọng lực Cơ cấu cân bằng trọng lực là cơ cấu có thể loại bỏ ảnh hưởng của lực hấp dẫn do trọng lượng của vật tạo ra. Khi một vật di chuyển với cơ cấu cân bằng trọng lực. Nó có thể chuyển động gần giống với chuyển động trong môi trường chân không. Lúc này, năng lượng cần thiết để thực hiện các chuyển động là rất nhỏ.
Nhờ những đặc tính nổi bật này mà cơ cấu cân bằng trọng lực được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau. Hiện nay, có nhiều cách khác nhau để thực hiện cân bằng trọng lực cho thiết bị, máy móc. Các phương pháp này có thể được chia thành các loại như sau.1 Cân bằng trọng lực chủ động Cân bằng trọng lực chủ động được thực hiện theo nguyên lý phản hồi [3]. Phương pháp có ưu điểm là khả năng đáp ứng cao.
Tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi kết cấu và điều khiển phức tạp.2 Cân bằng trọng lực bị động Cân bằng trọng lực bị động thường sử dụng các cơ cấu cân bằng trọng lực. Cơ cấu cân bằng trọng lực được chia làm ba loại [4]: i) cơ cấu cân bằng trọng lực 4 sử dụng đối trọng, ii) cơ cấu cân bằng trọng lực sử dụng chi tiết biến dạng đàn hồi, iii) Cơ cấu cân bằng trọng lực sử dụng kết hợp giữa lò xo và đối trọng. Ngoài cách phân loại ở trên, cơ cấu cân bằng trọng lực còn được chia làm hai loại dựa trên tải trọng: 1) Cơ cấu cân bằng không thể điều chỉnh tải trọng; 2) Cơ cấu cân bằng có thể điều chỉnh tải trọng. Loại này chia làm hai nhóm dựa trên năng lượng dùng để điều chỉnh: 2a) Cơ cấu cân bằng thay đổi tải trọng nhưng điều chỉnh cần phải sử dụng năng lượng (nonenergy free adjustment); 2b) Cơ cấu cân bằng trọng lực điều chỉnh tải trọng không cần năng lượng (energy free adjustment).1 Khái niệm Cơ cấu mềm là cơ cấu mà cấu tạo của nó gồm các khâu động được liên kết với nhau bằng các khớp mềm hoặc thanh mềm [5, 6].2 Ưu điểm của cơ cấu mềm Cơ cấu mềm có các ưu điểm như: [7, 8] dễ chế tạo, số lượng chi tiết trong cơ cấu ít, giảm thời gian lắp ráp, không cần bôi trơn, ít bị mòn, giảm khe hở trong các mối lắp, độ chính xác vị trí và chuyển động cao, có khả năng tích lũy năng lượng để sinh công, giá thành chế tạo thấp, có kích thước nhỏ gọn, v.3 Nhược điểm Cơ cấu mềm cũng có các nhược điểm như: khó thiết kế và phân tích, hiệu suất của cơ cấu thấp, sai lệch tâm quay lớn và độ cứng lớn.4 Ứng dụng của cơ cấu mềm Hiện nay cơ cấu cân bằng trọng lực được sử dụng để: Phát triển các dụng cụ cầm tay [9, 10], bộ định vị chính xác [11], cơ cấu cân bằng trọng lực [12-14], v.
Cơ cấu mềm đã được ứng dụng nhiều trong công nghiệp và đời sống. Đặc biệt là ứng dụng cho cơ cấu cân bằng trọng lực. Tuy nhiên các cơ cấu cân bằng trọng lực sử dụng cơ cấu mềm hiện nay không cho phép điều chỉnh tải trọng hoặc cho điều chỉnh nhưng phải dùng nguồn năng lượng lớn.2 Các công trình nghiên cứu liên quan 5 1.1 Nghiên cứu trong nước 1.1 Nghiên cứu về cơ cấu cân bằng trọng lực Nguyễn Hồng Nguyên và cộng sự (2018) đã tính toán, thiết kế và ứng dụng cơ cấu cân bằng trọng lực cho cánh tay ba bậc tự do [15, 16]. Huỳnh Quốc Bảo (2018) đã thí nghiệm khả năng hoạt động của cơ cấu cân bằng trọng lực một bậc tự do [17].
Tác giả và cộng sự (2020) [18] đã phát triển cơ cấu cân bằng trọng lực có khả năng điều chỉnh tải trọng và có kết cấu nhỏ gọn. Ngoài nhóm tác giả thì các cơ cấu được phát triển có kích thước lớn, không điều chỉnh được tải trọng.2 Nghiên cứu về cơ cấu mềm Trong nước, hiện nay một số nhóm nghiên cứu như: nhóm của Phạm Huy Tuân [19-22], Trần Ngọc Đăng Khoa [23] và nhóm của tác giả [24, 25].2 Những nghiên cứu ngoài nước 1.1 Trong lĩnh vực cơ cấu cân bằng Chu và Kou (2017) [26] đã nghiên cứu cơ cấu cân bằng trọng lực 1 bậc tự do tự cân bằng. Hung và Kou (2017) [27] đã phát triển cơ cấu cân bằng trọng lực 1 bậc tự do. Chew và cộng sự (2019) [28] đã nghiên cứu cơ cấu cân bằng trọng lực một bậc tự do tự cân bằng.
Kino và cộng sự (2018) [29] đã phát triển cơ cấu cân bằng chủ động 3 bậc tự do phẳng. Zhou và đồng sự (2020) [30] đã phát triển cơ cấu bù trọng lực cho bộ xương ngoài chi dưới. Franchetti và cộng sự (2021) [31] đã phát triển cơ cấu cân bằng một bậc tự do có thể thay đổi tải trọng. Yang và Lan (2015) [14] đã sử dụng cơ cấu mềm để phát triển cơ cấu cân bằng trọng lực có thể thay đổi tải trọng.
Các cơ cấu đã phát triển chưa thật sự phù hợp cho thiết bị hỗ trợ vận động.2 Trong lĩnh vực cơ cấu mềm Howell (2019) [32] đã nghiên cứu phương pháp thiết kế cho các cơ cấu đa vị trí ổn định. Zhang và Xu (2017) đã sử dụng cơ cấu mềm để thiết kế bàn định vị 3 bậc 6 tự do sử dụng cơ cấu song song [34]. Wang và Le (2021) tối ưu hóa thông số của tay gắp micro [36]. Zolfagharian (2021) [37] phát triển một tay gắp mềm bằng cách sử dụng lò xo xoắn ốc.
Các tác giả chủ yếu phát triển khớp mềm, ứng dụng cơ cấu mềm, phát triển các phương pháp phân tích, mô hình hóa và tối ưu hóa cho cơ cấu mềm.3 Tính cấp thiết của đề tài và ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài 1.1 Tính cấp thiết Tình trạng đột quỵ ngày càng tăng về số lượng và giảm về độ tuổi. Đột quỵ làm giảm khả năng vận động. Để khắc phục điều này, các thiết bị hỗ trợ vận động được sử dụng. Các thiết bị này thường gắn cơ cấu cân bằng trọng lực để tăng hiệu quả hỗ trợ.
Các cơ cấu cân bằng hiện nay có kết cấu phức tạp, cồng kềnh, điều chỉnh cần năng lượng. Chúng ít phù hợp cho thiết bị hỗ trợ vận động. Bên cạnh đó, cơ cấu mềm có ưu điểm kết cấu nhỏ gọn và có thể ứng dụng để chế tạo cơ cấu cân bằng trọng lực. Do đó, nghiên cứu sinh chọn đề tài “Phát triển và tối ưu hóa cơ cấu cân bằng trọng lực sử dụng cơ cấu mềm”.2 Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài Nghiên cứu này, phát triển cơ cấu cân bằng trọng lực có khả năng điều chỉnh tải trọng trong phạm vi từ 250 - 1000 gr, phạm vi cân bằng từ 0 - 30 độ, sử dụng kết hợp lò xo phẳng có thể điều chỉnh độ cứng bằng phương pháp không sử dụng năng lượng và khớp xoay mềm.
Đề xuất cách tiếp cận mới áp dụng cho phân tích, thiết kế và tối ưu cho lò xo phẳng và khớp xoay mềm. Chế tạo thành công mô hình cơ cấu cân bằng trọng lực có khả năng điều chỉnh tải trọng từ 250 - 1000 gr, phạm vi cân bằng từ 0 -30 độ. Cơ cấu phát triển có tiềm năng ứng dụng thực tiễn cao, cung cấp giải pháp hữu ích thực tiễn cho hỗ trợ chức năng vận động cho người và robot. Kết quả của luận án là tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu sau.4 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của luận án là phát triển và tối hóa một cơ cấu cân bằng mới, có kết cấu nhỏ gọn để có thể gắn lên thiết bị hỗ trợ vận động chi trên.
Cơ 7 cấu cho phép điều chỉnh tải trọng để duy trì trạng thái cân bằng. Phương pháp điều chỉnh không sử dụng năng lượng được áp dụng.5 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu gồm lò xo phẳng, khớp xoay mềm và cơ cấu cân bằng trọng lực.6 Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu 1.1 Nhiệm vụ nghiên cứu Thiết kế, phân tích cơ cấu cân bằng trọng lực có khả năng điều chỉnh tải trọng mà không cần năng lượng. Thiết kế, phân tích và tối ưu kích thước cho lò xo phẳng và khớp xoay mềm. Xây dựng các quy trình để thiết kế, phân tích, mô hình hóa và tối ưu hóa cho lò xo phẳng và khớp xoay mềm.
Thử nghiệm khả năng cân bằng cho cơ cấu bằng trọng lực dùng lò xo phẳng và khớp xoay mềm.2 Phạm vi nghiên cứu Thiết kế cơ cấu cân bằng trọng lực bị động, một bậc tự do hướng đến sử dụng cho thiết bị hỗ trợ vận động. Phạm vi cân bằng từ 0 - 300. Tải trọng điều chỉnh từ 250 - 1000 gr, không cần sử dụng năng lượng. Cơ cấu sử dụng khớp xoay mềm và lò xo phẳng.
Xây dựng quy trình để thiết kế, phân tích và tối ưu cho khớp xoay mềm và lò xo phẳng.7 Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp: Phương pháp kinh nghiệm và tham chiếu chuyên gia. Phương pháp mô phỏng số. Phương pháp thống kê, qui hoạch thực nghiệm. Phương pháp mô hình hóa bằng giải tích và các phương pháp thông minh dựa trên trí tuệ nhân tạo.
Phương pháp tối ưu hóa. Phương pháp thực nghiệm.1 Cơ cấu cân bằng trọng lực 8 2.1 Nguyên lý cân bằng trọng lực Hiện nay có ba mô tả toán học cho cơ cấu cân bằng trọng lực. 1) Tổng mô men bằng không; 2) Tổng thế năng không đổi; 3) Sử dụng bộ bù chủ động.2 Nguyên lý điều chỉnh cho cơ cấu cân bằng trọng lực Khi tải trọng thay đổi có thể điều chỉnh một trong ba yếu tố của cơ cấu để duy trì trạng thái cân bằng gồm: Cánh tay đòn, vị trí kết nối của lò xo hoặc độ cứng của lò xo. Có hai cách để điều chỉnh độ cứng của lò xo đó là tạo ra biến dạng ban đầu cho lò xo hoặc thay đổi số vòng xoắn làm việc.1 Điều chỉnh điểm kết nối của lò xo Phương pháp điều chỉnh bằng cách thay đổi điểm kết nối yêu cầu kết cấu của cơ cấu phức tạp, phương pháp này không phù hợp cho thiết bị hỗ trợ vận động.2 Điều chỉnh độ cứng của lò xo Độ cứng của lò xo có thể được điều chỉnh bằng cách tạo ra biến dạng ban đầu hoặc thay đổi số vòng xoắn làm việc.2 Thiết kế thực nghiệm 2.1 Thiết kế thực nghiệm đầy đủ yếu tố Phương pháp này giúp thu thập dữ liệu tốt, nhưng tốn nhiều thời gian, công sức và chi phí.2 Thiết kế thực nghiệm tổng hợp trung tâm Phương pháp này sử dụng ma trận thiết kế đầy đủ, giai thừa hoặc phân số.3 Thiết kế thực nghiệm sử dụng mảng trực giao Taguchi Phương pháp cho phép giảm đáng kể số thực nghiệm cần thực hiện.