Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Theo các nghiên cứu dịch tễ học và y học phục hồi chức năng được tác giả trích dẫn, số lượng người bị đột quỵ có xu hướng ngày càng gia tăng và độ tuổi mắc bệnh ngày càng trẻ hóa (Budhota, 2021). Khoảng 40% bệnh nhân sau đột quỵ gặp di chứng suy giảm chức năng vận động chi trên, dẫn tới sự thu hẹp đáng kể biên độ hoạt động của các khớp. Cirstea (2000) chỉ ra rằng khớp khuỷu tay của người bệnh chỉ đạt biên độ vận động trung bình khoảng 27,6 độ; trong khi Reinkensmeyer (2001) ghi nhận góc vận động theo phương đứng là 22,5 độ và phương ngang là 20 độ. Sự suy giảm lực cơ khiến người bệnh gặp trở ngại lớn trong các sinh hoạt thường nhật như ăn uống hay vệ sinh cá nhân, đòi hỏi phải có người hỗ trợ và tạo nên gánh nặng cho gia đình cùng xã hội.

Để giải quyết vấn đề này, các thiết bị hỗ trợ vận động và tập luyện phục hồi chức năng chi trên đã được nghiên cứu phát triển. Trên các thiết bị này, cơ cấu cân bằng trọng lực (Gravity Balancing Mechanism - GBM) đóng vai trò thiết yếu nhằm triệt tiêu mô men do trọng lực của tải trọng và các khâu chuyển động tạo ra, đưa hệ thống về trạng thái cân bằng tĩnh ở mọi vị trí làm việc. Khi đó, năng lượng vận hành thiết bị giảm về mức tối thiểu, chủ yếu chỉ để thắng lực ma sát và lực quán tính.

Tuy nhiên, các cơ cấu cân bằng trọng lực hiện hữu tồn tại nhiều hạn chế:

  1. Cơ cấu không có khả năng điều chỉnh tải trọng sẽ bị phá vỡ điều kiện cân bằng khi người bệnh cầm nắm các vật thể có khối lượng khác nhau.
  2. Cơ cấu cho phép điều chỉnh tải trọng thông thường đòi hỏi nguồn ngoại lực hoặc năng lượng phụ trợ lớn (động cơ điện, hệ thống khí nén), làm phức tạp hóa kết cấu và tiêu tốn nguồn năng lượng dự trữ của thiết bị hỗ trợ.
  3. Cơ cấu điều chỉnh phi năng lượng truyền thống thường có kích thước cồng kềnh, cấu tạo phức tạp, sử dụng nhiều hệ thanh, puli và dây cáp, không phù hợp để tích hợp trên xe lăn hoặc mang mặc trên cơ thể người.
  4. Một số cơ cấu ứng dụng cơ cấu mềm (compliant mechanisms) đã đạt được kích thước nhỏ gọn nhưng chưa có khả năng điều chỉnh tải trọng, hoặc nếu điều chỉnh được thì vẫn phải tiêu tốn lực tác động ban đầu lớn.

Khoảng trống nghiên cứu mà luận án tập trung giải quyết là phát triển một cơ cấu cân bằng trọng lực sử dụng cơ cấu mềm, vừa đảm bảo kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ, vừa có khả năng điều chỉnh tải trọng làm việc mà không cần sử dụng năng lượng bên ngoài (điều chỉnh phi năng lượng).

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu tổng quát của luận án bao gồm:

  1. Phát triển một cơ cấu cân bằng trọng lực mới có kết cấu nhỏ gọn, khối lượng nhẹ, định hướng gắn lên thiết bị hỗ trợ vận động chi trên cho người suy giảm chức năng vận động.
  2. Thiết lập nguyên lý và cơ chế cho phép điều chỉnh độ cứng của hệ lò xo đàn hồi nhằm duy trì trạng thái cân bằng khi tải trọng thay đổi bằng phương pháp không sử dụng năng lượng bên ngoài.
  3. Xây dựng các quy trình thiết kế, mô hình hóa số, tối ưu hóa kích thước và cấu trúc hình học cho các chi tiết đàn hồi nòng cốt trong cơ cấu cân bằng trọng lực, bao gồm lò xo phẳng và khớp xoay mềm.

Nhiệm vụ nghiên cứu

Luận án xác định 4 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Nhiệm vụ 1: Thiết kế và phân tích tĩnh học cơ cấu cân bằng trọng lực có khả năng điều chỉnh tải trọng phi năng lượng.
  2. Nhiệm vụ 2: Xây dựng các quy trình tích hợp giữa mô phỏng phần tử hữu hạn, mô hình hóa bề mặt thay thế và giải thuật tối ưu hóa để phục vụ thiết kế các chi tiết biến dạng đàn hồi.
  3. Nhiệm vụ 3: Thiết kế, mô phỏng số và tối ưu hóa thông số hình học cho hai chi tiết then chốt là lò xo phẳng và khớp xoay mềm.
  4. Nhiệm vụ 4: Chế tạo mô hình thực nghiệm, thiết lập hệ thống đo kiểm và thực nghiệm đánh giá khả năng cân bằng của cơ cấu khi thay đổi tải trọng trong các góc làm việc khác nhau.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Lò xo phẳng biến dạng mềm, khớp xoay mềm, và hệ thống cơ cấu cân bằng trọng lực tích hợp các chi tiết biến dạng đàn hồi.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Dạng cơ cấu: Cơ cấu cân bằng trọng lực bị động, 1 bậc tự do (1-DOF), định hướng tích hợp trên thiết bị hỗ trợ chi trên.
    • Phạm vi góc cân bằng: Góc xoay làm việc $\theta$ từ 0 độ đến 30 độ ($0^\circ \le \theta \le 30^\circ$), phù hợp với giới hạn vận động của bệnh nhân đột quỵ.
    • Phạm vi điều chỉnh tải trọng: Khối lượng nâng $m$ thay đổi từ 250 g đến 1000 g (0,25 kg đến 1,0 kg) mà không sử dụng năng lượng điều chỉnh.
    • Vật liệu chế tạo: Hợp kim nhôm Al7075 được lựa chọn để phân tích và gia công.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây

Trong tổng quan tài liệu, tác giả hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước thành hai nhánh chính: cơ cấu cân bằng trọng lực và cơ cấu mềm.

Tác giả / Công trình Năm Phương pháp tiếp cận Chi tiết đàn hồi / Cân bằng Phạm vi tải Đặc điểm điều chỉnh
Chen và cộng sự [49] - Cơ cấu hình bình hành kết hợp dây cáp - puli Lò xo - Không thể điều chỉnh
Cho và cộng sự [50] - Cơ cấu 1 bậc tự do cho khớp vai robot Lò xo - Không thể điều chỉnh
Takesue và cộng sự [51, 52] - Kết hợp hai lò xo xoắn tuyến tính Lò xo 1 – 3 kg Điều chỉnh cần năng lượng (tạo biến dạng ban đầu)
Van Dijk và Herder [53] - Thay đổi khối lượng hoặc chiều dài điểm kết nối Đối trọng 0 – 1 kg Điều chỉnh cần năng lượng
Yang và Lan [29] 2015 Hai lò xo phẳng (một chịu kéo, một chịu nén) Cơ cấu mềm 0 – 1,3 kg Điều chỉnh cần năng lượng (lực biến dạng lớn)
Wisse và cộng sự [54] - Lò xo ảo kết hợp cơ cấu Pantograph Lò xo 0 – 1 kg Điều chỉnh cần năng lượng
Barents và cộng sự [55] - Thay đổi điểm kết nối lò xo Lò xo 0 – 3 kg Điều chỉnh phi năng lượng
Van Dorsser và cộng sự [56] - Thay đổi số vòng xoắn làm việc của lò xo xoắn Lò xo 1 – 3 kg Điều chỉnh phi năng lượng
Chu và Kou [11] 2017 Hệ lò xo, puli và dây cáp tự đổi điểm kết nối Lò xo 0 – 2 kg Tự điều chỉnh (dây cáp bị dãn, kết cấu phức tạp)
Chew và cộng sự [57] 2019 Hệ lò xo, puli và dây cáp tự đổi điểm kết nối Lò xo 1,17 – 2,69 kg Tự điều chỉnh
Franchetti và cộng sự [58] 2021 Thanh trượt, lò xo, ròng rọc và đối trọng Lò xo 0 – 1 kg Tự điều chỉnh
Hung và Kou [59] 2017 Bánh răng Cardan đảo ngược và bánh răng hành tinh Khớp cơ khí 3 kg Không thể điều chỉnh
Gallego và Herder [26] 2010 Cơ cấu mềm định hình trạng thái cân bằng Cơ cấu mềm - Không thể điều chỉnh
Radaelli và Herder [27, 28] 2016, 2017 Lò xo lá phi tuyến tạo lực không đổi Cơ cấu mềm - Không thể điều chỉnh

Ở trong nước, các nghiên cứu của Nguyễn Hồng Nguyên và cộng sự (2018) [30, 31], Huỳnh Quốc Bảo (2018) [32] tập trung vào cơ cấu cân bằng tĩnh sử dụng nguyên lý Scotch Yoke, nhưng không có khả năng điều chỉnh tải trọng. Các nhóm nghiên cứu của Phạm Huy Tuân [25, 34-36], Trần Ngọc Đăng Khoa [37-39], Đào Thanh Phong và Châu Ngọc Lê [23, 40-48] đã phát triển nhiều dạng cơ cấu mềm cho bàn định vị micro, tay gắp chính xác, khớp y sinh và cơ cấu nhiều vị trí ổn định. Tuy nhiên, việc áp dụng cơ cấu mềm để thiết kế cơ cấu cân bằng trọng lực có thể điều chỉnh tải trọng phi năng lượng chưa được giải quyết trọn vẹn.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Luận án định vị nghiên cứu vào điểm giao giữa cơ cấu cân bằng trọng lực và kỹ thuật cơ cấu mềm:

  • Khắc phục sự cồng kềnh của các hệ thống cân bằng sử dụng đối trọng hoặc hệ thống dây cáp - puli phức tạp.
  • Khắc phục nhược điểm tiêu hao năng lượng điều chỉnh trong các cơ cấu thay đổi độ cứng truyền thống.
  • Phát triển nguyên lý thay đổi độ cứng của lò xo phẳng bằng cách thay đổi chiều dài làm việc hữu hiệu mà không cần sinh công biến dạng lò xo.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và nguyên lý cân bằng

Luận án xây dựng trên hai nguyên lý cơ bản của tĩnh học hệ cơ khí:

  1. Nguyên lý tổng mô men bằng không: Trạng thái cân bằng tĩnh đạt được khi tổng các mô men tác dụng lên khâu quay bằng không ở mọi góc xoay $\theta$: $$\sum M = T_r(\theta) + T_P(\theta) - T_m(\theta) = 0$$ Trong đó $T_r$ là mô men do khớp xoay mềm sinh ra, $T_P$ là mô men do lò xo phẳng tạo ra, và $T_m$ là mô men do trọng lượng của khâu liên kết ($m_1$) và tải trọng nâng ($m_2$) gây ra.
  2. Nguyên lý thế năng không đổi: Tổng thế năng trọng trường và thế năng biến dạng đàn hồi của các chi tiết mềm trong toàn hệ thống được duy trì là một hằng số đối với mọi góc vị trí $\theta$ ($E_p = \text{const}$).
  3. Nguyên lý lò xo có chiều dài tự do bằng không (Zero-Free-Length Spring - FZLC): Ứng dụng trong việc xác định quan hệ hình học và lực đàn hồi để triệt tiêu hàm phi tuyến của góc quay.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

Tác giả áp dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa mô phỏng số, mô hình hóa thay thế và thuật toán tối ưu hóa thông minh:

           [ Thiết kế hình học ban đầu / Khảo sát ]
                [ Thiết kế thực nghiệm (DoE) ]
                   (CCD, Taguchi L9, L16)
            [ Mô phỏng số phần tử hữu hạn (FEM/FEA) ]
                 (Kiểm tra chất lượng lưới Skewness)
                 [ Xây dựng mô hình thay thế ]
                   (RSM, Kriging, ANFIS, DFNN)
           [ Tối ưu hóa đa mục tiêu / Đơn mục tiêu ]
                 (PSO, MOGA, WCA, WCA-MFO)
        [ Kiểm chứng mô phỏng FEA & Chế tạo thực nghiệm ]
  • Quy hoạch thực nghiệm (Design of Experiments - DoE):
    • Thiết kế tổng hợp trung tâm (Central Composite Design - CCD).
    • Thiết kế mảng trực giao Taguchi ($L_9$, $L_{16}$) kết hợp phân tích tỷ số tín hiệu trên nhiễu ($S/N$) và phân tích phương sai (ANOVA).
  • Mô phỏng phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM / FEA):
    • Sử dụng phần mềm ANSYS để phân tích ứng xử tĩnh phi tuyến, biến dạng, phân bố ứng suất von Mises và năng lượng biến dạng đàn hồi.
    • Đánh giá chất lượng lưới phần tử thông qua chỉ số độ méo Skewness theo tiêu chuẩn kỹ thuật.
  • Mô hình hóa xấp xỉ và trí tuệ nhân tạo:
    • Phương pháp đáp ứng bề mặt (Response Surface Method - RSM) và mô hình Kriging.
    • Hệ suy luận mờ nơ-ron thích nghi (Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System - ANFIS).
    • Mạng nơ-ron truyền thẳng học sâu (Deep Forward Neural Network - DFNN).
  • Thuật toán tối ưu hóa:
    • Thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (Particle Swarm Optimization - PSO).
    • Thuật toán di truyền đa mục tiêu (Multi-Objective Genetic Algorithm - MOGA).
    • Thuật toán chu kỳ nước (Water Cycle Algorithm - WCA).
    • Thuật toán lai ghép chu kỳ nước và bướm đêm (Water Cycle - Moth Flame Optimization - WCMFO / ER-WCA).
    • Tối ưu hóa cấu trúc Topo (Topology Optimization) để tìm kiếm phân bố vật liệu tối ưu cho khớp xoay mềm.
  • Nguồn dữ liệu và thực nghiệm kiểm chứng:
    • Dữ liệu huấn luyện mô hình được trích xuất từ các kịch bản mô phỏng số phần tử hữu hạn.
    • Dữ liệu thực nghiệm được đo đạc trực tiếp trên mô hình chế tạo từ hợp kim Al7075 bằng cảm biến đo lực (loadcell) tại các góc nghiêng từ $0^\circ$ đến $30^\circ$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tổng quan về các phương pháp cân bằng trọng lực (chủ động và bị động), phân tích ưu nhược điểm của cơ cấu mềm trong các ứng dụng cơ khí chính xác và y sinh. Tác giả tổng hợp các công trình nghiên cứu tiêu biểu trên thế giới và tại Việt Nam, qua đó xác định khoảng trống nghiên cứu về một cơ cấu cân bằng trọng lực bị động nhỏ gọn, có khả năng điều chỉnh tải trọng phi năng lượng cho góc vận động $0^\circ - 30^\circ$, tải trọng $250 - 1000\text{ g}$. Chương này cũng xác lập rõ mục tiêu, đối tượng, nhiệm vụ, phạm vi và phương pháp luận của luận án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 thiết lập nền tảng lý thuyết tĩnh học cho cơ cấu cân bằng trọng lực, bao gồm nguyên lý cân bằng mô men và nguyên lý bảo toàn thế năng. Tác giả phân tích hai phương pháp điều chỉnh: thay đổi điểm kết nối lò xo và thay đổi độ cứng lò xo. Bên cạnh đó, chương này chi tiết hóa các công cụ toán học và thuật toán:

  • Phương pháp quy hoạch thực nghiệm (đầy đủ yếu tố, CCD, Taguchi).
  • Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn FEM và tiêu chuẩn đánh giá chất lượng lưới chia (Skewness).
  • Cấu trúc và thuật toán huấn luyện mạng DFNN và ANFIS.
  • Nguyên lý vận hành của các thuật toán tối ưu hóa: MOGA, PSO, WCA, và giải thuật lai WCMFO kết hợp giữa vòng tuần hoàn nước và hành vi bay của bướm đêm.

Chương 3: Thiết kế cơ cấu cân bằng trọng lực

Chương 3 trình bày thiết kế nguyên lý tổng thể của cơ cấu cân bằng trọng lực 1 bậc tự do:

  • Nguyên lý cân bằng kết hợp: Sử dụng một lò xo phẳng và một khớp xoay mềm. Khớp xoay mềm tạo ra mô men đàn hồi $T_r$ ban đầu, kết hợp với mô men $T_P$ do lò xo phẳng tạo ra để triệt tiêu mô men trọng lực $T_m$ do khâu mang tải sinh ra.
  • Nguyên lý điều chỉnh độ cứng phi năng lượng: Cơ cấu thay đổi độ cứng của lò xo phẳng bằng cách tịnh tiến một chốt chặn/con trượt dọc theo thân lò xo để thay đổi số phân đoạn làm việc (chiều dài làm việc hữu hiệu). Khi thực hiện dịch chuyển chốt chặn tại vị trí góc ban đầu (khi lò xo chưa tích lũy thế năng uốn), quá trình điều chỉnh không yêu cầu công cơ học để thắng lực đàn hồi, nhờ đó đạt được tính chất phi năng lượng.
  • Tính toán tĩnh học: Xác định giá trị độ cứng danh định $k_1$ (cho khớp xoay mềm) và $k_2$ (cho lò xo phẳng) ứng với từng mức tải trọng từ $250\text{ g}$ đến $1000\text{ g}$.
  • Vật liệu: Lựa chọn hợp kim nhôm Al7075 với giới hạn bền chảy $\sigma_{ch} = 503\text{ MPa}$ và mô-đun đàn hồi $E = 71,7\text{ GPa}$.

Chương 4: Phát triển khớp xoay mềm

Chương 4 tập trung thiết kế và tối ưu hóa hai mô hình khớp xoay mềm:

Mô hình khớp xoay 1: Kết hợp lò xo xoắn phẳng (FEM - RSM - PSO)

  • Thiết kế tích hợp các lò xo xoắn phẳng trong không gian giới hạn.
  • Sử dụng quy hoạch thực nghiệm CCD, mô phỏng FEM, xây dựng hàm mục tiêu bằng phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM) và tối ưu hóa bằng giải thuật bầy đàn (PSO).
  • Biến thiết kế: Chiều dày $t$ và bán kính không gian $R$.
  • Kết quả tối ưu: Chiều dày $t = 0,94\text{ mm}$, bán kính $R = 40\text{ mm}$.
  • Sai số giữa mô hình dự đoán và mô phỏng số FEM: khối lượng sai số $6,1%$, biến dạng góc sai số $1,68%$, ứng suất cực đại sai số $5,6%$.

Mô hình khớp xoay 2: Tối ưu hóa cấu trúc Topo kết hợp ANFIS và WCA-MFO

  • Khởi tạo miền thiết kế và áp dụng tối ưu hóa cấu trúc Topo để loại bỏ vật liệu thừa, định hình cấu trúc khớp mềm có phân bố ứng suất đồng đều.
  • Xây dựng mô hình thay thế phi tuyến bằng mạng nơ-ron thích nghi mờ (ANFIS) dựa trên mảng trực giao Taguchi $L_{16}$, phân tích tỷ số $S/N$ và sai số RMSE cho 3 đáp ứng: ứng suất, mô men và năng lượng.
  • Tối ưu hóa kích thước bằng giải thuật lai WCA-MFO.
  • Kết quả thông số hình học tối ưu: bán kính góc lượn $r_1 = 0,5\text{ mm}$, các chiều dày $t_1 = 0,36\text{ mm}$, $t_2 = 0,41\text{ mm}$, các chiều dài $l_1 = 11,3\text{ mm}$, $l_2 = 14,74\text{ mm}$.
  • Đánh giá sai số kiểm chứng giữa ANFIS và FEA: sai số mô men $4,59%$, sai số ứng suất $4,16%$, sai số năng lượng biến dạng $4,73%$.

Chương 5: Phát triển lò xo phẳng

Chương 5 trình bày việc thiết kế, mô hình hóa và tối ưu hai phương án kết cấu lò xo phẳng:

Mô hình lò xo phẳng 1: FEM - Kriging - MOGA

  • Phân tích độ nhạy của các biến kích thước: Chiều dài $L$, chiều dày $t$, chiều rộng $w$.
  • Xây dựng mô hình thay thế Kriging từ dữ liệu mô phỏng FEA.
  • Tối ưu hóa đa mục tiêu bằng giải thuật di truyền MOGA nhằm cực tiểu hóa khối lượng, cực tiểu hóa ứng suất von Mises và đạt độ cứng mục tiêu.
  • Thông số tối ưu tìm được: $L = 40,725\text{ mm}$, $t = 0,940\text{ mm}$, $w = 9,602\text{ mm}$.
  • Sai số so sánh giữa dự đoán Kriging và kiểm chứng FEA: khối lượng $< 0,001%$, ứng suất $5,78%$, biến dạng uốn $1,65%$.

Mô hình lò xo phẳng 2: FEM - DFNN - WCA

  • Chia lò xo thành các phân đoạn uốn lượn có bán kính góc lượn $r$. Thiết kế thực nghiệm bằng mảng trực giao Taguchi $L_9$.
  • Xây dựng mô hình toán học thay thế bằng mạng nơ-ron học sâu (DFNN). Cấu trúc DFNN được tối ưu hóa đạt hệ số xác định $R^2$ cao vượt trội so với mô hình hồi quy tuyến tính.
  • Tối ưu hóa các thông số hình học bằng thuật toán chu kỳ nước (WCA).
  • Thông số tối ưu xác định được: chiều dày $t = 1,029\text{ mm}$, chiều dài $L = 45\text{ mm}$, chiều rộng $w = 9\text{ mm}$, bán kính uốn $r = 0,3\text{ mm}$.
  • Sai số giữa dự đoán DFNN và mô phỏng kiểm chứng FEA: 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, lắp ráp và đánh giá thực nghiệm:

  • Cơ cấu cân bằng trọng lực hoàn chỉnh được chế tạo từ hợp kim nhôm Al7075 bằng công nghệ gia công cắt dây CNC độ chính xác cao.
  • Thiết lập hệ thống đo thực nghiệm gồm giá đỡ, cơ cấu cân bằng, hệ thống cảm biến lực loadcell và tải trọng thử nghiệm.
  • Tiến hành đo mô men cân bằng và lực tiếp tuyến tại các góc nghiêng từ $0^\circ$ đến $30^\circ$ dưới 6 mức tải trọng: $250\text{ g}$, $400\text{ g}$, $600\text{ g}$, $800\text{ g}$, $900\text{ g}$ và $1000\text{ g}$.
  • Đánh giá sai lệch mô men cân bằng tại vị trí góc làm việc tới hạn $30,6^\circ$:
Tải trọng thử nghiệm ($m_2$) Sai số mô men giữa lý thuyết và thực nghiệm (%)
0,25 kg (250 g) 2,91%
0,40 kg (400 g) 4,50%
0,60 kg (600 g) 2,86%
0,80 kg (800 g) 3,27%
0,90 kg (900 g) 0,25%
1,00 kg (1000 g) 3,00%

Kết quả thực nghiệm xác nhận cơ cấu duy trì được trạng thái cân bằng trong toàn bộ dải góc $0^\circ - 30^\circ$, quá trình thay đổi vị trí chốt chặn để điều chỉnh độ cứng lò xo không tiêu tốn năng lượng.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận khoa học

  1. Nguyên lý cân bằng trọng lực kết hợp: Đề xuất thành công cấu trúc cân bằng trọng lực 1 bậc tự do kết hợp giữa một lò xo phẳng mềm và một khớp xoay mềm, cho phép triệt tiêu mô men trọng trường trong phạm vi góc quay hẹp ($0^\circ - 30^\circ$).
  2. Phương pháp điều chỉnh độ cứng phi năng lượng: Xây dựng cơ sở tính toán và nguyên lý thay đổi độ cứng lò xo phẳng thông qua cơ chế thay đổi số phân đoạn làm việc mà không làm thay đổi thế năng ban đầu của hệ, giải quyết triệt để bài toán tiêu hao năng lượng khi điều chỉnh tải.
  3. Quy trình thiết kế - tối ưu hóa tích hợp: Phát triển các quy trình thiết kế đa tầng cho chi tiết biến dạng mềm, kết hợp giữa mô phỏng phần tử hữu hạn phi tuyến (FEM), các mô hình mạng nơ-ron nhân tạo (ANFIS, DFNN), mô hình Kriging và các giải thuật tối ưu hóa tiến hóa/bầy đàn (PSO, MOGA, WCA, WCA-MFO).

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và ứng dụng

  1. Chế tạo hoàn chỉnh mô hình thực nghiệm: Chế tạo thành công mẫu cơ cấu cân bằng trọng lực sử dụng cơ cấu mềm bằng hợp kim Al7075, kiểm chứng thực nghiệm khả năng cân bằng chính xác với sai số mô men dưới $4,5%$ trong dải tải trọng $250\text{ g} - 1000\text{ g}$.
  2. Khả năng ứng dụng kỹ thuật: Cung cấp giải pháp phần cứng nhỏ gọn, khối lượng nhẹ, vận hành êm ái không cần bôi trơn và không có khe hở khớp, sẵn sàng để tích hợp vào các thiết bị hỗ trợ vận động chi trên cho bệnh nhân phục hồi chức năng sau đột quỵ hoặc cánh tay robot trợ lực.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Ứng dụng quy trình mô hình hóa kết hợp FEM - AI - Metaheuristic vào việc thiết kế các chi tiết biến dạng đàn hồi phức tạp khác trong ngành kỹ thuật cơ khí chính xác.
  • Áp dụng cơ cấu cân bằng đề xuất vào các cụm khớp khuỷu của thiết bị trợ cụ vận động cá nhân nhằm giảm tải trọng lượng động cơ truyền động và kéo dài thời lượng pin cho thiết bị mang mặc.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Phạm vi chuyển động bị giới hạn trong không gian phẳng 1 bậc tự do với góc quay từ $0^\circ$ đến $30^\circ$.
  • Dải tải trọng làm việc được thiết kế và kiểm chứng trong giới hạn từ $250\text{ g}$ đến $1000\text{ g}$, chưa đáp ứng các tải trọng công nghiệp lớn hơn.
  • Nghiên cứu tập trung vào phân tích tĩnh học và đàn hồi tuyến tính/phi tuyến hình học trên vật liệu Al7075, chưa khảo sát sâu về độ bền mỏi (fatigue life) của các chi tiết mềm khi làm việc dưới chu kỳ tải lặp lại kéo dài.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

Theo đề xuất của tác giả ở phần kết luận:

  1. Mở rộng góc cân bằng làm việc của cơ cấu vượt qua phạm vi $30^\circ$ để đáp ứng các chuyển động sinh hoạt có tầm vận động rộng hơn.
  2. Mở rộng dải tải trọng cân bằng lên mức cao hơn nhằm ứng dụng cho các thiết bị công nghiệp hoặc hỗ trợ mang vác nặng.
  3. Nghiên cứu phát triển cơ cấu cân bằng trọng lực nhiều bậc tự do (Multi-DOF) trong không gian ba chiều sử dụng cơ cấu mềm.
  4. Tích hợp cơ cấu cân bằng hoàn chỉnh lên khung xương ngoài (exoskeleton) chi trên và tiến hành thử nghiệm lâm sàng trên người bệnh.
  5. Nghiên cứu sâu về độ bền mỏi, hiện tượng trễ đàn hồi và ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến cơ tính của cơ cấu mềm.

Giá trị tham khảo

Luận án có giá trị tham khảo chuyên môn đối với các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử, Kỹ thuật Y sinh: Tham khảo phương pháp luận thiết kế cơ cấu mềm, kỹ thuật quy hoạch thực nghiệm Taguchi/CCD, kỹ năng tích hợp phần mềm phân tử hữu hạn ANSYS với các giải thuật học máy và tối ưu hóa toán học (ANFIS, DFNN, Kriging, WCA, PSO, MOGA).
  • Giảng viên và nhà nghiên cứu: Sử dụng Chương 2, Chương 4 và Chương 5 làm tài liệu giảng dạy chuyên đề về cơ cấu mềm (compliant mechanisms), mô hình hóa hệ thống phi tuyến và tối ưu hóa kỹ thuật.
  • Kỹ sư thiết kế thiết bị y tế và robot: Tham khảo trực tiếp bản vẽ nguyên lý, thông số kích thước tối ưu và cơ chế điều chỉnh phi năng lượng ở Chương 3 và Chương 6 để ứng dụng vào việc phát triển thiết bị tập phục hồi chức năng chi trên hoặc cơ cấu cân bằng trọng lượng cho robot dịch vụ.

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ cấu cân bằng trọng lực trong luận án sử dụng nguyên lý nào để đạt trạng thái cân bằng?

Cơ cấu vận hành dựa trên nguyên lý cân bằng tĩnh học với tổng mô men tác dụng lên trục quay bằng không ($\sum M = 0$). Mô men gây ra bởi trọng lượng của khâu liên kết ($m_1$) và tải trọng làm việc ($m_2$) được triệt tiêu đồng thời bởi mô men đàn hồi sinh ra từ sự kết hợp giữa một khớp xoay mềm ($T_r$) và một lò xo phẳng mềm ($T_P$) trong phạm vi góc xoay từ $0^\circ$ đến $30^\circ$.

2. Quá trình điều chỉnh độ cứng lò xo để thích ứng với tải trọng thay đổi được thực hiện như thế nào mà không tốn năng lượng?

Luận án đề xuất cơ chế thay đổi độ cứng của lò xo phẳng bằng cách di chuyển chốt chặn làm việc để thay đổi số phân đoạn uốn (chiều dài làm việc hữu hiệu) của lò xo. Việc điều chỉnh này được thực hiện tại vị trí góc ban đầu khi cơ cấu chưa chịu biến dạng uốn tích lũy thế năng. Do không phải thắng lực đàn hồi hay lực cản của lò xo trong quá trình dịch chuyển chốt chặn, hệ thống không tiêu tốn năng lượng điều chỉnh.

3. Những công cụ trí tuệ nhân tạo và giải thuật tối ưu nào đã được ứng dụng để thiết kế khớp xoay mềm và lò xo phẳng?

Tác giả đã ứng dụng:

  • Mô hình hóa thay thế: Phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM), mô hình Kriging, mạng nơ-ron thích nghi mờ (ANFIS) và mạng nơ-ron truyền thẳng học sâu (DFNN).
  • Giải thuật tối ưu hóa: Thuật toán bầy đàn (PSO), thuật toán di truyền đa mục tiêu (MOGA), thuật toán chu kỳ nước (WCA), thuật toán lai chu kỳ nước - bướm đêm (WCA-MFO), kết hợp với phương pháp tối ưu hóa cấu trúc Topo (Topology optimization).

4. Vật liệu nào được sử dụng để chế tạo cơ cấu và các thông số cơ tính chính là gì?

Luận án sử dụng hợp kim nhôm Al7075. Vật liệu này có các thông số cơ tính được xác định trong nghiên cứu gồm: giới hạn bền chảy $\sigma_{ch} = 503\text{ MPa}$, mô-đun đàn hồi $E = 71,7\text{ GPa}$, đảm bảo khả năng biến dạng đàn hồi cao mà không bị phá hủy dẻo trong phạm vi làm việc.

5. Kết quả thử nghiệm thực nghiệm cho thấy sai số cân bằng của cơ cấu là bao nhiêu?

Khi thử nghiệm thực nghiệm tại góc nghiêng tới hạn $30,6^\circ$ với 6 mức tải trọng ($250\text{ g}$, $400\text{ g}$, $600\text{ g}$, $800\text{ g}$, $900\text{ g}$, $1000\text{ g}$), sai số giữa mô men thực tế do cơ cấu sinh ra và mô men trọng lực dao động từ $0,25%$ đến $4,50%$. Sai số này chứng minh cơ cấu đạt được trạng thái cân bằng tĩnh ổn định theo đúng tính toán lý thuyết.

Kết luận

Luận án của tác giả Châu Ngọc Lê đã giải quyết bài toán phát triển cơ cấu cân bằng trọng lực 1 bậc tự do nhỏ gọn, nhẹ, ứng dụng kỹ thuật cơ cấu mềm định hướng cho thiết bị hỗ trợ vận động chi trên. Công trình đã xây dựng thành công nguyên lý điều chỉnh độ cứng lò xo phi năng lượng trong dải tải trọng $250 - 1000\text{ g}$ và góc quay $0^\circ - 30^\circ$. Bằng việc kết hợp các công cụ mô phỏng phần tử hữu hạn, mô hình hóa trí tuệ nhân tạo (DFNN, ANFIS, Kriging) và giải thuật tối ưu hóa (PSO, MOGA, WCA, WCA-MFO), các thông số hình học của khớp xoay mềm và lò xo phẳng từ vật liệu Al7075 đã được xác định chính xác. Kết quả thử nghiệm thực nghiệm đã kiểm chứng độ chính xác của cơ cấu với sai số mô men dưới $4,5%$, khẳng định tính khả thi của giải pháp trong thực tế kỹ thuật và y sinh.