Phát triển và tối ưu hóa giai đoạn định vị tuân thủ cho thiết bị thử nghiệm nanoindentation

Khám phá cách phát triển và tối ưu hóa bộ định vị sử dụng cơ cấu mềm cho thiết bị kiểm tra độ cứng vật liệu hiệu quả và chính xác.

• Tác giả: Đặng Minh Phụng
• Người hướng dẫn: Assoc. Lê Hiếu Giang
• Trường học: Hcm City University Of Technology And Education
• Chuyên ngành: Mechanical Engineering
• Đề tài: Tối ưu hóa giai đoạn định vị tuân thủ cho thiết bị thử nghiệm nanoindentation
• Loại tài liệu: Ph. Thesis
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hcm City

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Bối cảnh và động lực nghiên cứu
• 1.2. Đề xuất thiết bị nanoindentation
• 1.3. Mục đích và đối tượng của luận án
• 1.4. Mục tiêu của luận án
• 1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
• 1.6. Bố cục của luận án
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Cơ cấu mềm và các ứng dụng
• 2.2. Các bàn định vị mềm trước đây
• 2.2.1. Thiết kế sơ đồ nối tiếp
• 2.2.2. Cấu trúc sơ đồ song song
• 2.2.3. Thiết kế sơ đồ nối tiếp - song song
• 2.3. Các cơ cấu khuếch đại chuyển vị
• 2.4. Các phương pháp mô hình hóa cơ cấu mềm
• 2.4.1. Phương pháp mô hình vật thể giả cứng
• 2.4.2. Các phương pháp dựa trên Lagrange
• 2.4.3. Phương pháp mô hình hóa dựa trên xấp xỉ
• 2.5. Phân tích phương sai
• 2.6. Kiểm định Wilcoxon và Friedman
• 2.7. Các thuật toán phi heuristic
• 3. CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ VÀ LỰA CHỌN KHỚP MỀM CHO CÁC BÀN ĐỊNH VỊ MỀM
• 3.1. Bối cảnh và động lực nghiên cứu
• 3.2. Yêu cầu kỹ thuật của khớp mềm cho thiết bị thử nghiệm nanoindentation
• 3.3. Phương pháp tối ưu hóa đề xuất
• 3.4. Kết quả và thảo luận
• 3.4.1. Đánh giá và lựa chọn khớp mềm
• 3.4.2. Tối ưu hóa thiết kế khớp mềm
• 3.4.2.1. Thiết lập tính toán tỷ số S/N và thiết kế thí nghiệm
• 3.4.2.2. Xây dựng mô hình mờ
• 3.4.2.3. Xây dựng phương trình hồi quy
• 3.4.2.4. So sánh với các phương pháp khác nhau
• 4. CHƯƠNG 4: PHÁT TRIỂN CÁC BÀN ĐỊNH VỊ MỀM 01 BẬC TỰ DO CHO ĐẦU ĐO
• 4.1. Phát triển và tối ưu hóa bàn định vị 01 bậc tự do lấy cảm hứng từ bọ cánh cứng
• 4.1.1. Bộ định vị dựa trên khớp mềm
• 4.1.2. Bệ đỡ dạng bọ cánh cứng với cơ cấu khuếch đại
• 4.1.3. Ứng dụng cơ bản cho thiết bị thử nghiệm nanoindentation
• 4.1.4. Phân tích đặc tính chính và sai số chuyển động ký sinh
• 4.1.5. Phương pháp tối ưu đề xuất
• 4.1.5.1. Phát biểu bài toán tối ưu hóa
• 4.1.5.2. Phương pháp lai đề xuất
• 4.1.6. Kết quả và thảo luận
• 4.1.6.1. Thu thập dữ liệu số
• 4.1.6.2. Định lượng thừa số trọng số
• 4.1.6.3. Xây dựng mô hình ANFIS
• 4.1.6.4. Thực nghiệm và kiểm chứng
• 4.2. Phát triển và tối ưu hóa bàn định vị Z mềm mới dựa trên cấu trúc nối tiếp - song song
• 4.2.1. Xây dựng bài toán tối ưu
• 4.2.2. Kết quả và thảo luận
• 4.2.2.1. Đánh giá các đặc tính ban đầu và sai số chuyển động ký sinh
• 4.2.2.2. Thí nghiệm mảng trực giao và mô hình toán học
• 4.2.2.3. Tính toán thừa số trọng số
• 4.2.2.4. Kết quả tối ưu và kiểm chứng
• 4.3. Mô hình hóa động lực học cấu trúc của bàn định vị mềm 01 bậc tự do mới sử dụng sáu đòn bẩy đối xứng dựa trên phương pháp PRBM và nguyên lý Lagrange
• 4.3.1. Mô hình hóa cấu trúc giải tích dựa trên phương pháp PRBM và nguyên lý Lagrange
• 4.3.2. Kiểm chứng các mô hình giải tích đã thiết lập
• 4.3.3. Tối ưu hóa thông số của bộ định vị 1-DOF
• 4.3.4. Kiểm chứng FEA và so sánh
• 5. CHƯƠNG 5: PHÁT TRIỂN CÁC BÀN ĐỊNH VỊ MỀM ĐỂ ĐỊNH VỊ MẪU VẬT LIỆU
• 5.1. Phát triển và tối ưu hóa bộ định vị XY mềm
• 5.1.1. Cơ cấu khuếch đại chuyển vị lai
• 5.1.2. Bàn vi định vị XY mềm
• 5.1.3. Xây dựng bài toán tối ưu
• 5.1.4. Kết quả và thảo luận
• 5.1.4.1. Thí nghiệm mảng trực giao và mô hình toán học
• 5.1.4.2. Tối ưu hóa thông số sử dụng phương pháp tích hợp TM, RSM và NSGA-II
• 5.1.4.3. So sánh với nghiên cứu trước đây
• 5.2. Phát triển và tối ưu hóa bộ định vị 02 bậc tự do mềm
• 5.2.1. Sơ đồ thiết kế của cơ cấu 1-DOF
• 5.2.2. Sơ đồ hoạt động của bàn 2-DOF
• 5.2.3. Mô hình hóa và tổng hợp tối ưu hóa kích thước
• 5.2.4. Thuật toán mạng nơ-ron
• 5.2.5. Kết quả và thảo luận
• 5.2.5.1. Mô hình hóa tĩnh học và động lực học
• 5.2.5.2. Đánh giá và kiểm chứng các mô hình toán học
• 5.2.5.3. Mô tả bài toán tối ưu
• 5.2.5.4. Kiểm chứng và so sánh
• 5.3. Phát triển và tối ưu hóa bàn xoay định vị mềm
• 5.3.1. Cơ cấu khuếch đại chuyển vị lai
• 5.3.2. Bộ định vị xoay mềm
• 5.3.3. Kết quả và thảo luận
• 5.3.3.1. Thu thập dữ liệu
• 5.3.3.2. Kết quả tối ưu và phân tích thống kê
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Tóm tắt

I. Tổng quan về tối ưu hóa giai đoạn định vị tuân thủ trong nanoindentation

Tối ưu hóa giai đoạn định vị tuân thủ cho thiết bị thử nghiệm nanoindentation là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong kỹ thuật cơ khí. Giai đoạn này đóng vai trò quyết định trong việc đảm bảo độ chính xác và hiệu suất của thiết bị. Việc phát triển và tối ưu hóa các giai đoạn này không chỉ giúp nâng cao chất lượng thử nghiệm mà còn giảm thiểu sai số trong quá trình đo lường. Nghiên cứu này sẽ trình bày các phương pháp tối ưu hóa hiện có và ứng dụng của chúng trong thực tiễn.

1.1. Tầm quan trọng của giai đoạn định vị trong nanoindentation

Giai đoạn định vị trong nanoindentation ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của kết quả thử nghiệm. Việc tối ưu hóa giai đoạn này giúp cải thiện khả năng định vị và giảm thiểu sai số trong quá trình thử nghiệm.

1.2. Các công nghệ hiện có trong nanoindentation

Công nghệ nanoindentation hiện nay sử dụng nhiều phương pháp khác nhau để tối ưu hóa giai đoạn định vị. Các công nghệ này bao gồm các cơ chế tuân thủ và các thuật toán tối ưu hóa phức tạp.

II. Vấn đề và thách thức trong tối ưu hóa giai đoạn định vị tuân thủ

Mặc dù có nhiều tiến bộ trong công nghệ nanoindentation, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong việc tối ưu hóa giai đoạn định vị tuân thủ. Các vấn đề như độ chính xác, độ bền và khả năng chịu tải của các cơ chế định vị cần được giải quyết. Việc phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của giai đoạn định vị là rất cần thiết để tìm ra giải pháp tối ưu.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác trong nanoindentation

Độ chính xác trong nanoindentation bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như thiết kế cơ khí, vật liệu sử dụng và quy trình thử nghiệm. Việc hiểu rõ các yếu tố này giúp cải thiện hiệu suất của thiết bị.

2.2. Thách thức trong việc phát triển cơ chế định vị mới

Phát triển các cơ chế định vị mới đòi hỏi sự kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn. Các thách thức bao gồm việc tối ưu hóa thiết kế và đảm bảo tính khả thi trong sản xuất.

III. Phương pháp tối ưu hóa giai đoạn định vị tuân thủ cho nanoindentation

Để tối ưu hóa giai đoạn định vị tuân thủ, nhiều phương pháp đã được phát triển. Các phương pháp này bao gồm việc sử dụng các thuật toán tối ưu hóa như Taguchi, RSM và các phương pháp học máy. Việc áp dụng các phương pháp này giúp cải thiện đáng kể hiệu suất của thiết bị thử nghiệm.

3.1. Phương pháp Taguchi trong tối ưu hóa thiết kế

Phương pháp Taguchi giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của giai đoạn định vị. Bằng cách sử dụng các thiết kế thí nghiệm, phương pháp này cho phép tối ưu hóa các thông số kỹ thuật một cách hiệu quả.

3.2. Ứng dụng của RSM trong tối ưu hóa giai đoạn định vị

Phương pháp RSM (Response Surface Methodology) được sử dụng để phân tích mối quan hệ giữa các biến và tối ưu hóa các thông số thiết kế. Phương pháp này giúp tìm ra các giá trị tối ưu cho các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn trong nanoindentation

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa giai đoạn định vị tuân thủ có thể cải thiện đáng kể độ chính xác và hiệu suất của thiết bị thử nghiệm nanoindentation. Các kết quả thu được từ các thí nghiệm cho thấy sự cải thiện rõ rệt trong các thông số kỹ thuật của thiết bị.

4.1. Kết quả từ các thí nghiệm thực nghiệm

Các thí nghiệm thực nghiệm cho thấy rằng việc áp dụng các phương pháp tối ưu hóa đã giúp giảm thiểu sai số trong quá trình thử nghiệm. Kết quả này chứng minh tính khả thi của các phương pháp đã được đề xuất.

4.2. Ứng dụng trong ngành công nghiệp

Các kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ sản xuất vật liệu đến nghiên cứu khoa học. Việc tối ưu hóa giai đoạn định vị sẽ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và quy trình sản xuất.

V. Kết luận và triển vọng tương lai trong nghiên cứu nanoindentation

Kết luận từ nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa giai đoạn định vị tuân thủ là rất cần thiết để nâng cao hiệu suất của thiết bị thử nghiệm nanoindentation. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều tiến bộ mới trong công nghệ và ứng dụng thực tiễn.

5.1. Tóm tắt các phát hiện chính

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa giai đoạn định vị có thể cải thiện đáng kể độ chính xác và hiệu suất của thiết bị. Các phương pháp tối ưu hóa hiện có đã được áp dụng thành công.

5.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Hướng nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc phát triển các công nghệ mới và cải tiến các phương pháp tối ưu hóa hiện có. Điều này sẽ giúp nâng cao hơn nữa hiệu suất của thiết bị thử nghiệm nanoindentation.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Kiểm tra độ cứng và cơ tính vật liệu ở quy mô tế vi (nanoindentation) là phương pháp tiêu chuẩn để xác định các đặc tính cơ học như độ cứng, mô đun đàn hồi, độ dão (creep), độ bền mỏi và sự phá hủy của vật liệu với khối lượng mẫu nhỏ hoặc màng mỏng. Kỹ thuật này được ứng dụng rộng rãi đối với nhiều nhóm vật liệu từ vật liệu sinh học (xương, răng, mô, khớp nhân tạo như khớp gối nhân tạo), vật liệu màng mỏng, bán dẫn, linh kiện vi cơ điện tử (MEMS) đến quang học.

Trong các hệ thống đo truyền thống, cơ cấu định vị đầu đâm và mẫu vật liệu thường sử dụng động cơ servo kết hợp bộ truyền trục vít me bi và các khớp bản lề cứng. Cấu trúc cơ học truyền thống này tồn tại nhiều hạn chế như ma sát, mòn, khe hở ngược (backlash), rung động và đòi hỏi bôi trơn định kỳ, dẫn đến sai số định vị và khó đạt được độ phân giải cấp độ nano. Đồng thời, kích thước cồng kềnh của các cơ cấu truyền thống gây khó khăn cho việc tích hợp vào không gian buồng mẫu hẹp của kính hiển vi điện tử quét (SEM) hoặc kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để quan sát trực tiếp quá trình biến dạng (in-situ nanoindentation).

Khoảng trống nghiên cứu được luận án chỉ ra là các công trình trước đây chủ yếu tập trung vào cơ cấu mềm 1 bậc tự do (01-DOF) đơn lẻ cho đầu đâm với hành trình dịch chuyển hạn chế (khoảng 11,44 µm đến 40 µm), sai số chuyển động ký sinh (parasitic motion error) còn lớn và độ cứng chưa tối ưu; đồng thời chưa có một thiết kế hoàn chỉnh đồng bộ bao gồm cả cơ cấu dẫn động đầu đâm 1-DOF và các cơ cấu định vị mẫu vật liệu nhiều bậc tự do (2-DOF, 3-DOF, bàn xoay) đáp ứng yêu cầu kiểm tra đa dạng mẫu vật liệu mềm và cứng.

Mục tiêu nghiên cứu tổng quát của luận án là nghiên cứu phát triển và tối ưu hóa các cơ cấu định vị mềm (compliant positioning stages) ứng dụng cho thiết bị thử nghiệm cơ tính nanoindentation. Các mục tiêu cụ thể gồm:

1. Phân tích, đánh giá và lựa chọn khớp đàn hồi (flexure hinge) phù hợp để tích hợp vào các cơ cấu định vị.
2. Thiết kế và tối ưu hóa 3 phương án cơ cấu định vị mềm 01-DOF cho đầu đâm (indenter).
3. Thiết kế và tối ưu hóa các cơ cấu định vị mẫu vật liệu, bao gồm 2 phương án bàn định vị phẳng XY (02-DOF) và 1 phương án bàn định vị quay (rotary stage).
4. Thiết lập các mô hình toán học giải tích mô tả đặc tính tĩnh học, động lực học và động tĩnh học (kinetostatics) của các cơ cấu.
5. Xây dựng mô hình mô phỏng số bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEA).
6. Phát triển các phương pháp tối ưu hóa lai đa mục tiêu kết hợp trí tuệ nhân tạo và các thuật toán meta-heuristic nhằm nâng cao chỉ tiêu chất lượng của các cơ cấu.
7. Chế tạo mẫu thử thực nghiệm và kiểm chứng tính đúng đắn của các mô hình lý thuyết và mô phỏng.

Đối tượng nghiên cứu của luận án là khớp đàn hồi uốn notch-type, các cơ cấu định vị mềm 1-DOF cho đầu đâm, các cơ cấu định vị mềm 2-DOF (XY) và cơ cấu định vị xoay cho mẫu thử. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào cơ cấu mềm nguyên khối thụ động dẫn động bằng bộ truyền động gốm áp điện (PZT/PEA), vật liệu chế tạo là hợp kim nhôm AL7075-T6, ứng dụng thử nghiệm nanoindentation theo nguyên lý mũi đâm Berkovich và gia công bằng phương pháp cắt dây tia lửa điện (WEDM).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng thuật hệ thống các công trình nghiên cứu liên quan đến cơ chế mềm, các dạng khớp đàn hồi uốn, cơ cấu khuếch đại chuyển vị và các hệ thống định vị nano phục vụ thiết bị thử nghiệm nanoindentation:

• Khớp đàn hồi uốn: Luận án điểm lại các dạng khớp notch-type như khớp tròn (circular hinge - Paros và Weisbord [26]), khớp góc bo tròn (corner-rounded hinge - Lobontiu et al. [23, 27]), khớp chữ V (V-shaped - [28]), khớp elip (elliptical hinge - Smith et al. [29]), khớp parabol và hyperbol ([30]), cùng các dạng khớp phức hợp như khớp chữ thập (cross-axis) và khớp bánh xe (cartwheel hinge - [32]).
• Cơ cấu định vị trong thiết bị nanoindentation: Huang et al. [11] phát triển thiết bị nanoindentation module hóa thu nhỏ với hành trình 12 µm theo trục X, Y và 40 µm theo trục Z; Rabe et al. [15] phát triển thiết bị cào nano trong SEM với hành trình 20 µm; Huang et al. phát triển cơ cấu dẫn động đầu đâm 11,44 µm và 40 µm; Zhao et al. phát triển cơ cấu dẫn động đầu đâm hành trình 15 µm.
• Cơ cấu khuếch đại chuyển vị: Các dạng cơ cấu khuếch đại như cơ cấu cầu (bridge-type), cơ cấu thoi (rhombus-type), cơ cấu Scott-Russell, cơ cấu 5 khâu đối xứng (symmetric five-bar) và cơ cấu đòn bẩy đơn/đa tầng (lever-type amplification mechanisms - LAM) [74, 76-79].
• Cấu trúc động học cơ cấu định vị: Các dạng chuỗi động nối tiếp (serial), song song (parallel) và nối tiếp - song song hỗn hợp (serial-parallel) [37, 38, 52-55].

Vị trí của luận án được xác lập thông qua việc giải quyết đồng thời các hạn chế tồn tại: mở rộng hành trình làm việc thông qua việc tích hợp cơ cấu khuếch đại đòn bẩy nhiều tầng, giảm thiểu sai số chuyển động ký sinh bằng cơ cấu dẫn hướng song song (parallel guiding mechanism), nâng cao tần số dao động riêng bậc 1 nhằm tăng tốc độ đáp ứng động lực học, và xây dựng khung phương pháp tối ưu hóa lai kết hợp giữa quy hoạch thực nghiệm Taguchi, mô hình hồi quy RSM/ANFIS và các thuật toán tìm kiếm thông minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án xây dựng trên nền tảng lý thuyết cơ học biến dạng đàn hồi của cơ cấu mềm (compliant mechanisms), lý thuyết dầm uốn phi tuyến và động lực học hệ nhiều vật.

Các khung lý thuyết và mô hình giải tích được áp dụng gồm:

• Mô hình vật thể giả cứng (PRBM - Pseudo-Rigid-Body Model): Quy đổi các biến dạng uốn đàn hồi của khớp mềm thành các khớp quay tương đương có lò xo xoắn cản đàn hồi, phục vụ phân tích động học và tĩnh học cơ cấu đòn bẩy.
• Phương pháp năng lượng Lagrange: Thiết lập phương trình vi phân chuyển động và tính toán tần số dao động riêng bậc 1 ($f$) dựa trên tổng thế năng đàn hồi ($E_p$) tích lũy tại các khớp uốn và tổng động năng ($T$) của các thành phần trong cơ cấu.
• Phương pháp phân tích động tĩnh học (Kinetostatic Analysis): Xác định ma trận độ cứng đầu vào ($K_{in}$), độ cứng đầu ra ($K_{out}$), tỷ số khuếch đại chuyển vị ($A$) và các lực/mômen tác động tại từng tiết diện nút dầm.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và tối ưu hóa định lượng:

• Thiết kế thực nghiệm: Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm trực giao Taguchi (mảng trực giao $L_{16}$ hoặc $L_{25}$) và phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) để xây dựng hàm quan hệ giữa các thông số hình học đầu vào và các chỉ tiêu chất lượng đầu ra.
• Kỹ thuật tính toán thông minh:
  • Hệ thống suy luận mờ (Fuzzy Logic System) kết hợp tỷ số tín hiệu trên nhiễu ($S/N$) để quy đổi bài toán đa mục tiêu thành một chỉ số chất lượng tổng hợp.
  • Mạng nơ-ron mờ thích nghi (ANFIS - Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System) để mô hình hóa mối quan hệ phi tuyến có độ chính xác cao.
  • Thuật toán mạng nơ-ron (NNA - Neural Network Algorithm).
• Thuật toán tối ưu hóa:
  • Thuật toán tối ưu hóa bướm đêm (MFO - Moth-Flame Optimization).
  • Thuật toán tối ưu hóa cá voi (WOA - Whale Optimization Algorithm).
  • Thuật toán đom đóm (FA - Firefly Algorithm).
  • Thuật toán dạy và học (TLBO - Teaching Learning-Based Optimization).
  • Thuật toán di truyền sắp xếp không trội II (NSGA-II).
• Kiểm định thống kê: Sử dụng phân tích phương sai (ANOVA) để xác định mức độ ảnh hưởng của các biến số hình học; áp dụng kiểm định phi tham số Wilcoxon signed-rank và kiểm định Friedman để so sánh hiệu quả hội tụ và độ ổn định của các thuật toán đề xuất so với các thuật toán tham chiếu (ASO, GA, CSA, AEDE).
• Mô phỏng và kiểm chứng thực nghiệm: Mô phỏng số bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEA) trên phần mềm kỹ thuật; chế tạo mẫu thử thực tế từ vật liệu AL7075-T6 bằng máy cắt dây CNC (WEDM) và đo kiểm chuyển vị bằng cảm biến vi dịch chuyển.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu tổng quan (Introduction)

Chương 1 trình bày bối cảnh nghiên cứu, tính cấp thiết của việc phát triển thiết bị thử nghiệm cơ tính nanoindentation tích hợp trong buồng đo SEM/TEM; xác định mục tiêu nghiên cứu, đối tượng, phạm vi, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn và bố cục của luận án. Luận án nhấn mạnh nhu cầu kiểm tra cơ tính của lớp phủ khớp gối nhân tạo, xương động vật và màng mỏng, đồng thời nêu rõ mô hình thiết bị nanoindentation đề xuất sử dụng nguyên lý mũi đâm Berkovich với hệ thống định vị mềm đa bậc tự do.

Chương 2: Tổng quan tài liệu và cơ sở lý thuyết (Literature Review and Basis Theory)

Chương 2 tổng thuật các nghiên cứu về cơ cấu mềm trong y học, MEMS, robot; phân loại các dạng khớp đàn hồi uốn (khớp tròn, góc bo tròn, elip, parabol, hyperbol, chữ V, cartwheel, cross-axis); phân loại cơ cấu định vị mềm theo cấu trúc động học (nối tiếp, song song, nối tiếp - song song) và các cơ cấu khuếch đại chuyển vị (dạng cầu, dạng thoi, Scott-Russell, đòn bẩy nhiều tầng). Chương này cũng hệ thống hóa các phương pháp mô hình hóa giải tích (PRBM, phương pháp Lagrange, kinetostatics), các phương pháp quy hoạch thực nghiệm (Taguchi, RSM), các kiểm định thống kê (ANOVA, Wilcoxon, Friedman) và nguyên lý hoạt động của các thuật toán tối ưu hóa không heuristic và meta-heuristic.

Chương 3: Phân tích, đánh giá và lựa chọn khớp đàn hồi cho các cơ cấu định vị mềm (Analysis, Evaluation, and Selection of a Flexure Hinge for Compliant Positioning Stages)

Chương 3 tập trung phân tích, so sánh và lựa chọn khớp đàn hồi uốn tối ưu để tích hợp vào các cơ cấu định vị. Bốn loại khớp đàn hồi notch-type phổ biến được khảo sát và so sánh đặc tính gồm: khớp tròn, khớp chữ nhật/lá, khớp góc bo tròn và khớp elip.

Một phương pháp tối ưu hóa lai đa đáp ứng mới được đề xuất bằng cách tích hợp phương pháp Taguchi (TM), phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM), suy luận mờ (Fuzzy Logic) và thuật toán tối ưu hóa bướm đêm (MFO). Khớp đàn hồi elip được lựa chọn và tối ưu hóa kích thước hình học nhằm giảm độ dịch trục quay (rotation axis shift), tăng góc xoay (deflection angle) và đảm bảo hệ số an toàn bền (safety factor).

Chỉ tiêu chất lượng của khớp elip	Giá trị đạt được sau tối ưu hóa
Độ dịch trục quay (Rotation axis shift)	$10,94 \times 10^{-5}\text{ mm}$
Hệ số an toàn (Safety factor)	$2,99$
Góc xoay đàn hồi (Deflection angle)	$52,006 \times 10^{-3}\text{ rad}$

Kết quả kiểm định Wilcoxon và Friedman xác nhận phương pháp lai đề xuất vượt trội hơn so với thuật toán tối ưu hóa tìm kiếm nguyên tử (ASO) và thuật toán di truyền (GA) về tốc độ hội tụ và độ chính xác.

Chương 4: Phát triển các cơ cấu mềm 01 bậc tự do (01-DOF) cho đầu đâm nano (Development of 01-DOF Compliant Stages for Indenter)

Chương 4 nghiên cứu thiết kế, mô hình hóa và tối ưu hóa 3 phương án cơ cấu định vị mềm 01-DOF dịch chuyển tịnh tiến theo phương Z phục vụ dẫn động đầu đâm:

• Phương án 1 (Cơ cấu 1-DOF lấy cảm hứng sinh học từ bọ cánh cứng - Beetle-inspired stage): Tích hợp cơ cấu khuếch đại đòn bẩy 4 tầng (four-lever amplifier) và kết cấu mô phỏng chân bọ cánh cứng. Phương pháp lai giữa hệ nơ-ron mờ thích nghi (ANFIS) và thuật toán tối ưu hóa dạy và học (TLBO) được phát triển để tối ưu hóa kích thước. Kết quả: Hệ số an toàn đạt $1,5141$, chuyển vị đầu ra đạt giá trị khuếch đại lớn, triệt tiêu sai số chuyển động ký sinh.
• Phương án 2 (Bàn định vị Z dựa trên cấu trúc nối tiếp - song song): Kết hợp cơ cấu khuếch đại đòn bẩy 2 tầng, cơ cấu dịch chuyển khớp uốn và cơ cấu dẫn hướng song song sử dụng 6 khớp chữ nhật đối xứng cùng lò xo uốn dạng zigzag. Phương pháp tối ưu hóa lai kết hợp TM, RSM, kỹ thuật tính trọng số dựa trên tỉ số $S/N$ và thuật toán tối ưu hóa cá voi (WOA). Kết quả: Chuyển vị trục Z đạt $436,04\text{ }\mu\text{m}$, hệ số an toàn đạt trên $2,0$.
• Phương án 3 (Cơ cấu 1-DOF sử dụng 6 đòn bẩy đối xứng): Kết hợp 6 đòn bẩy khuếch đại đối xứng tích hợp khớp elip và cơ cấu dẫn hướng song song 6 khớp chữ nhật. Mô hình toán học động học và động lực học được xây dựng dựa trên phương pháp PRBM và nguyên lý Lagrange. Thuật toán đom đóm (Firefly Algorithm - FA) được ứng dụng để tối ưu hóa thông số hình học. Kết quả: Tần số dao động riêng bậc 1 đạt $176,957\text{ Hz}$, đảm bảo độ cứng vững và tốc độ đáp ứng cao.

Chương 5: Phát triển các cơ cấu mềm định vị mẫu vật liệu (Development of Compliant Stages for Locating a Material Specimen)

Chương 5 trình bày thiết kế, mô hình hóa và tối ưu hóa 3 phương án cơ cấu mềm định vị mẫu thử nghiệm:

• Phương án 1 (Bàn định vị phẳng XY 02-DOF sử dụng 4 đòn bẩy): Cấu trúc đối xứng tích hợp cơ cấu khuếch đại đòn bẩy 4 tầng và dẫn hướng song song bằng lò xo uốn zigzag. Phương pháp tích hợp TM, RSM và thuật toán di truyền NSGA-II được áp dụng để giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu. Kết quả: Chuyển vị đạt $3,862\text{ mm}$, tần số dao động riêng bậc 1 đạt $45\text{ Hz}$.
• Phương án 2 (Bàn định vị phẳng XY 02-DOF sử dụng 8 đòn bẩy): Cấu trúc tích hợp cơ cấu khuếch đại 8 đòn bẩy kết hợp khớp đàn hồi elip và cơ cấu dẫn hướng song song. Mô hình động lực học được thiết lập bằng phương pháp phân tích động tĩnh học (kinetostatics) và nguyên lý Lagrange. Thuật toán mạng nơ-ron (NNA) được sử dụng để tối ưu hóa thông số. Kết quả: Tần số dao động riêng đạt $112\text{ Hz}$, chuyển vị được nâng cao và sai số tách kênh (decoupling error) được kiểm soát ở mức thấp.
• Phương án 3 (Bàn định vị quay Rotary stage): Cơ cấu gồm bộ khuếch đại 4 đòn bẩy, cơ cấu dẫn hướng mô phỏng chân bọ cánh cứng, khớp cartwheel và bàn quay dựa trên 3 khớp lá (leaf flexure hinges). Phương pháp tối ưu hóa lai kết hợp TM, RSM, kỹ thuật trọng số $S/N$ và thuật toán TLBO được phát triển. Kết quả: Hệ số an toàn đạt $1,558$, góc xoay chuyển vị đạt khoảng $2^\circ$ (tương đương cấp độ milimét chuyển vị tiếp tuyến).

Cơ cấu định vị	Cơ cấu khuếch đại / Khớp chính	Phương pháp tối ưu hóa	Thông số đặc tính tiêu biểu đạt được
Khớp uốn Elip (Chương 3)	Khớp elip notch-type	Taguchi + RSM + Fuzzy + MFO	Độ dịch trục: $10,94 \times 10^{-5}\text{ mm}$; Hệ số an toàn: $2,99$
Bàn 1-DOF Phương án 1	Đòn bẩy 4 tầng + Chân bọ cánh cứng	ANFIS + TLBO	Hệ số an toàn: $1,5141$
Bàn 1-DOF Phương án 2	Đòn bẩy 2 tầng + Dẫn hướng zigzag	Taguchi + RSM + Trọng số $S/N$ + WOA	Chuyển vị Z: $436,04\text{ }\mu\text{m}$; Hệ số an toàn $> 2,0$
Bàn 1-DOF Phương án 3	Đòn bẩy 6 tầng đối xứng + Khớp elip	PRBM + Lagrange + Firefly (FA)	Tần số tự nhiên bậc 1: $176,957\text{ Hz}$
Bàn XY Phương án 1	Đòn bẩy 4 tầng + Lò xo uốn zigzag	Taguchi + RSM + NSGA-II	Chuyển vị: $3,862\text{ mm}$; Tần số bậc 1: $45\text{ Hz}$
Bàn XY Phương án 2	Đòn bẩy 8 tầng + Khớp elip	Kinetostatics + Lagrange + NNA	Tần số bậc 1: $112\text{ Hz}$
Bàn quay Rotary Stage	Đòn bẩy 4 tầng + Khớp Cartwheel	Taguchi + RSM + Trọng số $S/N$ + TLBO	Hệ số an toàn: $1,558$; Chuyển vị góc $\approx 2^\circ$

Chương 6: Kết luận và kiến nghị (Conclusions and Recommendations)

Chương 6 tổng kết các kết quả nghiên cứu đã đạt được về mặt lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm đối với các cơ cấu định vị mềm 1-DOF, XY và bàn quay; đồng thời đưa ra các đề xuất và định hướng phát triển tiếp theo của đề tài.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được các đóng góp khoa học và thực tiễn:

1. Đóng góp về phương pháp luận và lý thuyết:
   • Xây dựng thành công các quy trình tối ưu hóa đa mục tiêu lai mới kết hợp giữa thiết kế thực nghiệm cổ điển (Taguchi, RSM) với suy luận mờ, mạng nơ-ron mờ thích nghi (ANFIS) và các thuật toán meta-heuristic hiện đại (MFO, WOA, FA, TLBO, NSGA-II, NNA).
   • Thiết lập các mô hình giải tích chính xác cao dựa trên phương pháp vật thể giả cứng (PRBM), phương pháp phân tích động tĩnh học (kinetostatics) và phương pháp năng lượng Lagrange để dự đoán nhanh độ cứng, tỷ số khuếch đại chuyển vị và tần số dao động riêng bậc 1 của các cơ cấu mềm nhiều tầng khuếch đại.
2. Đóng góp về mặt kết cấu và kỹ thuật:
   • Đề xuất các cấu trúc cơ cấu định vị mềm mới cho đầu đâm 1-DOF và bàn định vị mẫu 2-DOF/quay, tích hợp cơ cấu khuếch đại đòn bẩy nhiều tầng (2 tầng, 4 tầng, 6 tầng, 8 tầng), cơ cấu dẫn hướng song song giảm sai số ký sinh và cấu trúc lấy cảm hứng sinh thái học (chân bọ cánh cứng).
   • Chứng minh tính ưu việt của khớp đàn hồi uốn elip trong việc giảm thiểu độ dịch chuyển tâm quay và nâng cao hệ số an toàn so với các dạng khớp notch-type truyền thống.
3. Đóng góp thực tiễn:
   • Cung cấp các cấu trúc định vị có kích thước nhỏ gọn, hành trình chuyển vị lớn, không ma sát, không mòn, đáp ứng yêu cầu lắp đặt tích hợp trong thiết bị thử nghiệm nanoindentation buồng chân không SEM/TEM.
   • Chế tạo thành công các mẫu thử nghiệm thực tế bằng công nghệ gia công cắt dây tia lửa điện (WEDM) trên vật liệu AL7075-T6, tiến hành đo kiểm thực nghiệm và xác nhận sự phù hợp giữa kết quả giải tích, mô phỏng FEA và thực nghiệm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

• Các cơ cấu định vị được thiết kế và khảo sát ở trạng thái cơ cấu mềm thụ động, chưa tích hợp hệ thống điều khiển vòng kín (closed-loop control) để tự động bù trừ hiện tượng trễ phi tuyến (hysteresis) và dão của bộ truyền động gốm áp điện (PZT/PEA).
• Thử nghiệm thực nghiệm chủ yếu tập trung vào kiểm tra dịch chuyển tĩnh và động lực học cơ bản, chưa tiến hành đo thử nghiệm cào/đâm trực tiếp trên đa dạng các loại vật liệu sinh học phức tạp trong môi trường chân không của kính hiển vi SEM.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được tác giả đề xuất:

• Phát triển thêm các cấu trúc cơ cấu định vị mềm ứng dụng cho thiết bị nanoindentation in-situ và hệ thống định vị chính xác cao.
• Nghiên cứu phát triển các cơ cấu định vị mềm lấy cảm hứng từ cấu trúc sinh thái của động vật (bio-inspired positioning stages).
• Nghiên cứu phát triển các phương pháp tối ưu hóa lai mới nâng cao hiệu quả thiết kế cơ chế mềm.
• Tích hợp cảm biến đo dịch chuyển nhúng bên trong cơ cấu (embedded displacement sensors) và xây dựng bộ điều khiển bù trễ thời gian thực để nâng cao độ chính xác định vị.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu đối với:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử, Kỹ thuật Đo lường và Cơ học Ứng dụng; cung cấp phương pháp luận toàn diện từ mô hình hóa giải tích (PRBM, Lagrange, Kinetostatics), mô phỏng phần tử hữu hạn (FEA) đến các kỹ thuật tối ưu hóa đa mục tiêu lai thông minh.
• Kỹ sư thiết kế và phát triển sản phẩm: Trong các lĩnh vực thiết kế máy công cụ chính xác, cơ cấu vi định vị cho thiết bị quang học, thiết bị y sinh, robot y học và các hệ thống vi cơ điện tử (MEMS).
• Các phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu: Cung cấp giải pháp kết cấu bàn dịch chuyển mẫu và cơ cấu dẫn động đầu đâm thu nhỏ phục vụ phát triển các thiết bị đo cơ tính màng mỏng và vật liệu sinh học.

Câu hỏi thường gặp

1. Khớp đàn hồi elip có ưu điểm gì nổi bật so với các loại khớp uốn notch-type khác trong thiết bị nanoindentation?

Theo kết quả phân tích và tối ưu hóa tại Chương 3, khớp elip cho độ dịch chuyển trục quay rất nhỏ ($10,94 \times 10^{-5}\text{ mm}$), góc uốn lệch lớn ($52,006 \times 10^{-3}\text{ rad}$) và hệ số an toàn bền cao ($2,99$). Điều này giúp hạn chế sai số vị trí tâm quay và tăng độ chính xác định vị cho đầu đâm và bàn mẫu.

2. Ba phương án thiết kế cơ cấu 1-DOF dẫn động đầu đâm tại Chương 4 khác nhau như thế nào?

Phương án 1 sử dụng đòn bẩy 4 tầng kết hợp cấu trúc chân bọ cánh cứng và tối ưu hóa bằng ANFIS-TLBO; Phương án 2 sử dụng đòn bẩy 2 tầng kết hợp lò xo uốn zigzag dẫn hướng song song và tối ưu bằng TM-RSM-WOA (đạt hành trình Z $436,04\text{ }\mu\text{m}$); Phương án 3 sử dụng 6 đòn bẩy đối xứng tích hợp khớp elip, được mô hình hóa bằng PRBM-Lagrange và tối ưu bằng thuật toán Firefly (đạt tần số tự nhiên $176,957\text{ Hz}$).

3. Phương pháp nào được sử dụng để mô hình hóa động lực học cho bàn định vị XY 8 đòn bẩy tại Chương 5?

Tác giả đã sử dụng phương pháp phân tích động tĩnh học (kinetostatic analysis) kết hợp với nguyên lý năng lượng Lagrange để xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả dao động, từ đó xác định độ cứng tổng thể và tần số dao động riêng bậc 1 của cơ cấu ($112\text{ Hz}$).

4. Luận án sử dụng loại vật liệu và công nghệ gia công nào để chế tạo mẫu thực nghiệm?

Luận án sử dụng vật liệu hợp kim nhôm AL7075-T6 với đặc tính đàn hồi cao và chế tạo mẫu nguyên khối bằng phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện CNC (WEDM).

5. Các kiểm định thống kê nào được sử dụng để chứng minh tính hiệu quả của các thuật toán tối ưu hóa đề xuất?

Luận án sử dụng phân tích phương sai ANOVA để đánh giá mức độ đóng góp của các thông số hình học đầu vào, đồng thời áp dụng kiểm định phi tham số Wilcoxon signed-rank và kiểm định Friedman để so sánh định lượng hiệu suất hội tụ của các thuật toán đề xuất so với các thuật toán tham chiếu như ASO, GA, CSA và AEDE.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Đặng Minh Phụng đã hoàn thành việc thiết kế, mô hình hóa giải tích, mô phỏng số và tối ưu hóa đa mục tiêu cho hệ thống các cơ cấu định vị mềm 1-DOF, 2-DOF và bàn quay ứng dụng trong thiết bị thử nghiệm cơ tính nanoindentation. Các mô hình giải tích dựa trên PRBM, Kinetostatics và Lagrange cùng hệ thống các thuật toán tối ưu hóa lai thông minh (ANFIS-TLBO, Taguchi-RSM-WOA, PRBM-Lagrange-FA, Kinetostatics-Lagrange-NNA) đã giải quyết hiệu quả sự đánh đổi giữa hành trình khuếch đại, tần số dao động riêng và sai số ký sinh. Các kết quả nghiên cứu lý thuyết đã được kiểm chứng bằng mô phỏng phần tử hữu hạn và thực nghiệm trên mẫu chế tạo từ hợp kim AL7075-T6, đóng góp các giải pháp kết cấu và phương pháp luận có giá trị khoa học và ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực cơ điện tử và cơ cấu định vị vi mô chính xác.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HCM CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION ---oo0oo--- DANG MINH PHUNG DEVELOPMENT AND OPTIMIZATION OF COMPLIANT POSITIONING STAGES APPLIED FOR NANOINDENTATION TESTING DEVICE PH. THESIS MAJOR: MECHANICAL ENGINEERING CODE: 9520103 HCM City, December 2022 MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HCM CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION --- oOo --- DANG MINH PHUNG DEVELOPMENT AND OPTIMIZATION OF COMPLIANT POSITIONING STAGES APPLIED FOR NANOINDENTATION TESTING DEVICE MAJOR: MECHANICAL ENGINEERING CODE: 9520103 Supervisor 1: Assoc. Le Hieu Giang Supervisor 2: Dr. Dao Thanh Phong Reviewer 1: Reviewer 2: Reviewer 3: HCM City, December 2022 i LÝ LỊCH KHOA HỌC I.

LÝ LỊCH SƠ LƯỢC Họ và tên: ĐẶNG MINH PHỤNG Giới tính: NAM Ngày, tháng, năm sinh: 29/06/1983 Nơi sinh: Bình Dương Quên quán: Bình Dương Dân tộc: Kinh Học vị cao nhất: Thạc Sỹ Kỹ thuật Đơn vị công tác: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: D302, chung cư C2, Đường D1, P. Hiệp Phú, Tp. Thủ Đức, Tp. Điện thoại liên hệ: 0906814944 Email: phungdm@hcmute.

QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 1. Đại học: - Hệ đào tạo: Chính qui - Nơi đào tạo: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM - Ngành học: Cơ khí chế tạo máy - Năm tốt nghiệp: 2007 2. Sau đại học - Hệ đào tạo: Chính qui - Nơi đào tạo: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.

HCM - Thạc sĩ chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí - Năm tốt nghiệp: 2009 III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC - Từ 6/2007 đến 8/2007: Kỹ sư thiết kế - Công ty TNHH TM & XD Nội Lực. - 10/2007 đến 9/2009: Giảng viên, Khoa Cơ khí, Trường Cao đẳng Công Thương Tp. - 10/2009 - nay: Giảng viên, Bộ môn Công nghệ Chế tạo máy, Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.

LĨNH VỰC CHUYÊN MÔN ii - Công nghệ chế tạo máy, đo lường cơ khí. - Thiết kế, chế tạo máy nông nghiệp và máy CNC. - Bộ định vị chính xác. - Tối ưu hóa thiết kế và gia công cơ khí.

CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ Số NỘI DUNG TT 1 Minh Phung Dang, Hieu Giang Le, Nguyen Thanh Duy Tran, Ngoc Le Chau, Thanh-Phong Dao, Optimal design and analysis for a new 1-DOF compliant stage based on additive manufacturing method for testing medical specimens, Symmetry, Volume 14, Issue 6, 06/2022. (SCIE – Q2) 2 Minh Phung Dang, Hieu Giang Le, Minh Nhut Van, Ngoc Le Chau, Thanh- Phong Dao, Modeling and optimization for a new compliant 02-DOF stage for locating bio-materials sample by an efficient approach of kinetostatic analysis- based method and neural network algorithm, Computational Intelligence and Neuroscience, Volume 2022, Article ID 6709464. (SCIE – Q1) 3 Minh Phung Dang, Hieu Giang Le, Ngoc Le Chau, Thanh-Phong Dao, Optimization for a flexure hinge using an effective hybrid approach of fuzzy logic and moth-flame optimization algorithm, Mathematical Problems in Engineering, Volume 2021, Article ID 6622655, 18 pages, Feb-2021. (SCIE – Q2) 4 Minh Phung Dang, Hieu Giang Le, Ngoc N.

Trung Le, Ngoc Le Chau, Thanh- Phong Dao, Multiresponse Optimization for a Novel Compliant Z-Stage by a Hybridization of Response Surface Method and Whale Optimization Algorithm, Mathematical Problems in Engineering, Volume 2021, Article ID 9974230, 18 pages, ISSN 1024-123X, April 2021. (SCIE – Q2) 5 Minh Phung Dang, Hieu Giang Le, Ngoc Le Chau, Thanh-Phong Dao, A Multi- Objective Optimization Design for a New Linear Compliant Mechanism, Journal of Optimization and Engineering, 10. (SCIE – Q2) 6 Minh Phung Dang, Thanh-Phong Dao, Ngoc Le Chau, Hieu Giang Le, Effective Hybrid Algorithm of Taguchi Method, FEM, RSM, and Teaching Learning-Based Optimization for Multiobjective Optimization Design of a Compliant Rotary Positioning Stage for Nanoindentation Tester, Mathematical Problems in Engineering, 1563-5147, 2018. iii Số NỘI DUNG TT 7 Ngoc Le Chau, Hieu Giang Le, Thanh-Phong Dao, Minh Phung Dang, and Van Anh Dang, Efficient Hybrid Method of FEA-Based RSM and PSO Algorithm for Multi-Objective Optimization Design for a Compliant Rotary Joint for Upper Limb Assistive Device, Mathematical Problems in Engineering, 2587373, 2019.

8 Ngoc Le Chau, Minh Phung Dang, Chander Prakash, Dharam Buddhi, Thanh- Phong Dao, Structural optimization of a rotary joint by hybrid method of FEM, neural-fuzzy and water cycle-moth flame algorithm for robotics and automation manufacturing, Robotics and Autonomous Systems (2022): 104199. 9 Minh Phung Dang, Hieu Giang Le, Thu Thi Dang Phan, Ngoc Le Chau, and Thanh-Phong Dao, Design and Optimization for a New XYZ Micropositioner with Embedded Displacement Sensor for Biomaterial Sample Probing Application. 10 Duc Nam Nguyen, Minh Phung Dang, Shyh-Chour Huang, Thanh-Phong Dao, Computational optimization of a steel A-36 monolithic mechanism by bonobo algorithm and intelligent model for precision machining application, International Journal on Interactive Design and Manufacturing (IJIDeM) (2022): 1-11. (Scopus, ESCI – Q2) 13 Minh Phung Dang, Thanh-Phong Dao, Hieu Giang Le, Ngoc Thoai Tran, Development and analysis for a New Compliant XY Micropositioning Stage applied for Nanoindentation Tester System, Applied Mechanics and Materials, 1662-7482, Vol.

14 Minh Phung Dang, Thanh-Phong Dao, Hieu Giang Le, Optimal Design of a New Compliant XY Micropositioning Stage for Nanoindentation Tester Using Efficient Approach of Taguchi Method, Response Surface Method and NSGA-II, iv Số NỘI DUNG TT 4th International Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD), IEEE, 2018. 15 Nhat Linh Ho, Thanh-Phong Dao, Minh Phung Dang, Hieu Giang Le, Tan Thang Nguyen, Manh Tuan Bui, Design and Analysis of a Displacement Sensor- Integrated Compliant Micro-gripper Based on Parallel Structure, The first International Conference on Material, Machines and Methods for Sustainable Development, Da Nang, Vietnam, 978-604-95-0502-7. 16 Minh Phung Dang, Nhat Linh Ho, Ngoc Le Chau, Thanh Phong Dao, Hieu Giang Le, A hybrid mechanism based on beetle-liked structure and multi-lever amplification for a compliant micropositioning platform, The Xth National Mechanics Conference, Ha Noi, Vietnam, 978-604-913-719-8, 2017. HCM, ngày 27 tháng 12 năm 2022 Nghiên cứu sinh Đặng Minh Phụng v ORIGINALITY STATEMENT I, Dang Minh Phung, confirm that this dissertation is my own work, done under the guidance of Assoc.

Le Hieu Giang and Dr. Dao Thanh Phong to my great knowledge. The data and achieved results stated in the dissertation are honest and have not been published elsewhere. Ho Chi Minh City, December 2022 Dang Minh Phung vi ACKNOWLEDGMENTS To begin, I would like to express my heartfelt gratitude to my two main supervisors, Assoc.

Le Hieu Giang and Dr. Dao Thanh Phong, from the Faculty of Mechanical Engineering, Ho Chi Minh City University of Technology and Education, and the Institute for Computational Science, Ton Duc Thang University, respectively. From the very first day of my Ph. study, my supervisors always show their kindness and enthusiasm to help me in my life and support me in writing international papers in English as well as doing research.

Moreover, my advisors have given me helpful advice in my life in order to balance my research and teaching, as well as provide me with professional knowledge to conduct my research in the compliant mechanism field. Secondly, I would like to thank my colleagues in the compliant research group at Institute for Computational Science, Ton Duc Thang University, as well as my colleagues and great students at the Ho Chi Minh City University of Technology and Education's Faculty of Mechanical Engineering, for their help in developing my research. Thirdly, I would like to thank the Ho Chi Minh City University of Technology professors who gave me great advice in correcting my thesis and showing appropriate developing directions in my research field. Fourthly, I would like to thank the Vietnam National Foundation for Science and Technology Development (NAFOSTED, No.01-2019-14) and HCMC University of Technology and Education in Vietnam for financial support under Grant No.

Finally, I would like to express my gratitude to my family for their encouragement, support, and patience: my parents, my wife, my younger brother, two younger sisters, my daughters, and my son. Dang Minh Phung vii ABSTRACT This thesis presents the development and optimization for flexure hinge, 01-DOF positioning stages, XY positioning stages, and a rotary stage for a nanoindentation testing device. Firstly, a new hybrid multi-response optimization approach was developed by combination of the Taguchi method (TM) with response surface methodology (RSM), fuzzy logic reasoning, and Moth-Flame optimizer is developed to select and optimize a new flexure joint. The elliptical hinge is chosen to integrate into the positioners in the nanoindentation device.

The attained results were of 10.94*10-5 mm for the rotation axis shift, 2.99 for the safety factor and 52.006*10-3 rad for the angle deflection. The elliptic hinge is then integrated into the indenter for driving and specimen locating positioners. Secondly, three design alternatives of new 01-DOF positioning stage are developed. A four-lever displacement intensification structure and beetle-liked configuration are proposed for the first stage.

A two-lever displacement amplifier, flexure shift mechanism, and parallel guiding mechanism are designed for the second stage. A six-lever amplifier and parallel guiding mechanism are devoted for the third stage. The advanced adaptive neuro-fuzzy inference system was coupled with teaching learning-based optimization algorithm to improve the quality characteristics of the first 01-DOF stage. Another methodology combining the TM, RSM, weight factor computation technique, and Whale optimization algorithm was also offered for optimizing the second 01-DOF stage.

Furthermore, the pseudo-rigid-body model and Lagrange method were used for modeling the third 01-DOF stage. The Firefly algorithm was then used to advance the important response of the third positioner. For the 1st stage, the safety factor was 1.5141 and the displacement was 2. For the 2nd stage, the output Z-displacement was 436.04 µm and the safety factor was 2.

For the 3rd stage, the result achieved 176.957 Hz for the first natural frequency. viii Finally, three new design alternatives for locating specimens were developed, including two XY positioning stages and a rotary positioning stage. In particular, the first XY stage included a four-lever displacement amplifier and guiding parallel guiding based on a zigzag-based flexure spring. Following that, an eight-lever displacement intensification structure with elliptic hinges and parallel guiding via a zigzag-based flexure spring was integrated into the second XY stage.

Eventually, the rotary stage included a four-lever displacement amplifier, the profile's beetle leg, cartwheel hinge, and a rotation platform based on three leaf flexure hinges. Furthermore, an offered optimization approach combining the TM, RSM, and nondominated sorting genetic algorithm II was proposed for optimizing the key variables of the first compliant X-positioner for improving the quality responses of the stages mentioned above. Then, a neural network algorithm was used to optimize the main parameters of the second XY-positioner for improving the output characteristics of the second X-positioner. Moreover, to optimize the rotary stage's main factors, an offered integration optimization approach of the TM, RSM, weight factor computation technique according to signal to noise, and TLBO algorithm was developed.

For the 1st 2-DOF stage, the displacement was 3.862 mm and the first natural was 45. For the 2nd 2-DOF stage, the frequency of stage was 112. For the rotary stage, the safety factor was 1.558 and the displacement was about 2. Additionally, Wilcoxon's rank signed analysis as well as Friedman analysis were exploited to benchmark the effectiveness of the offered hybrid method to other optimizers.

ANOVA was also used to figure out the significant contributions of the main input factors to output characteristics. The physical prototypes are manufactured and experimentally verified the predicted results. ix CONTENTS ORIGINALITY STATEMENT. viii List of Abbreviations.

xvi List of Figures. xxii List of Tables. xxviii CHAPTER 1 INTRODUCTION. Background and motivation.

Proposed nanoindentation device. Purposes and objects of the thesis. Objectives of the thesis. Scientific and practical significance of the thesis.

Outline of thesis. 11 CHAPTER 2 LITERATURE REVIEW AND BASIS THEORY. Compliant mechanism and applications. Previous compliant positioning stages.

Serial diagram design. Parallel diagram structure. Serial-parallel diagram design. Displacement amplification mechanisms .