Phát Triển và Tối Ưu Hóa Gripper Cho Mẫu Xi Lanh Sử Dụng Cơ Chế Linh Hoạt

• Tác giả: Ho Nhat Linh
• Người hướng dẫn: Assoc. Le Hieu Giang
• Trường học: HCM City University of Technology and Education
• Chuyên ngành: Mechanical Engineering
• Đề tài: Tối Ưu Hóa Gripper Cho Mẫu Xi Lanh Sử Dụng Cơ Chế Linh Hoạt
• Loại tài liệu: Ph. Dissertation
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

• ORIGINALITY STATEMENT
• LIST OF ABBREVIATIONS
• LIST OF SYMBOLS
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLES
• 1. CHAPTER 1: INTRODUCTION
• 1.1. Background and motivation
• 1.2. Problem description of proposed compliant grippers
• 1.3. Objects of the dissertation
• 1.4. Objectives of the dissertation
• 1.5. The scientific and practical significance of the dissertation
• 1.6. Outline of the dissertation
• 2. CHAPTER 2: LITERATURE REVIEW
• 2.1. Overview of compliant mechanism
• 2.2. Definition of compliant mechanism
• 2.3. Categories of compliant mechanism
• 2.4. Compliant joints or flexure hinges
• 2.5. Displacement amplification based on the compliant mechanism
• 2.6. The Scott-Russell mechanism
• 2.7. Displacement sensors based on compliant mechanisms
• 2.8. Compliant grippers based on embedded displacement sensors
• 2.9. International and domestic research
• 2.10. Research works in the field by foreign scientists
• 2.11. Study on compliant mechanisms by foreign scientists
• 2.12. Study on robotic grippers and compliant grippers by foreign scientists
• 2.13. Research works in the field by domestic scientists
• 2.14. Research on compliant mechanisms by domestic scientists
• 2.15. Research on robotic grippers and compliant grippers by domestic scientists
• 3. CHAPTER 3: THEORETICAL FOUNDATIONS
• 3.1. Design of experiments
• 3.2. Modeling methods and approaches for compliant mechanisms
• 3.3. Pseudo-rigid-body model
• 3.4. Lagrange-based dynamic modeling approaches
• 3.5. Finite Element Method
• 3.6. Graphic method, Vector method, and Mathematical analysis
• 3.7. Data-driven modeling methods
• 3.8. Data-driven optimization
• 3.9. Weighting factors in multi-objective optimization problems
• 4. CHAPTER 4: DESIGN, ANALYSIS, AND OPTIMIZATION OF A DISPLACEMENT SENSOR FOR AN ASYMMETRICAL COMPLIANT GRIPPER
• 4.1. Research targets of displacement sensor for compliant gripper
• 4.2. Structural design of proposed displacement sensor
• 4.3. Mechanical design and working principle of a proposed displacement sensor
• 4.4. Description of structure of displacement sensor
• 4.5. The working principle of a displacement sensor
• 4.6. Technical requirements of a proposed displacement sensor
• 4.7. Behavior analysis of the displacement sensor
• 4.8. Strain versus stress
• 4.9. Design optimization of a proposed displacement sensor
• 4.10. Description of optimization problem of a proposed displacement sensor
• 4.11. Definition of design variables
• 4.12. Definition of objective functions
• 4.13. Definition of constraints
• 4.14. The proposed method for optimizing the displacement sensor
• 4.15. Optimal Results and Discussion
• 4.16. Determining Weight Factor
• 5. CHAPTER 5: COMPUTATIONAL MODELING AND OPTIMIZATION OF A SYMMETRICAL COMPLIANT GRIPPER FOR CYLINDRICAL SAMPLES
• 5.1. Basic application of symmetrical compliant gripper for cylinder samples
• 5.2. Research targets of symmetrical compliant gripper
• 5.3. Mechanical design of symmetrical compliant gripper
• 5.4. Description of structural design
• 5.5. Technical requirements of proposed symmetrical compliant gripper
• 5.6. Behavior analysis of the proposed compliant gripper
• 5.7. Design optimization of the compliant gripper
• 5.8. Problem statement of optimization design
• 5.9. Determination of design variables
• 5.10. Determination of objective functions
• 5.11. Determination of constraints
• 5.12. Proposed optimization method for the compliant gripper
• 5.13. Optimized results and validations
• 6. CHAPTER 6: CONCLUSIONS AND FUTURE WORKS
• ORIGINALITY STATEMENT
• ACKNOWLEDGMENTS
• ABSTRACT

I. Gripper Linh Hoạt Cho Xi Lanh Giới Thiệu và Tổng Quan

Trong ngành công nghiệp lắp ráp, việc phát triển gripper có khả năng kẹp và định vị chính xác là một thách thức lớn. Luận án này hướng đến việc phát triển hai loại gripper linh hoạt mới. Đầu tiên là gripper cấu trúc bất đối xứng, tích hợp cảm biến dịch chuyển. Thứ hai là gripper cấu trúc đối xứng, phục vụ cho lắp ráp. Đối tượng gắp là các xi lanh kích thước nhỏ, ví dụ như trục của động cơ rung trong điện thoại di động hoặc thiết bị điện tử ( 0.8-1 mm). Theo Linh (2023), gripper linh hoạt mở ra tiềm năng lớn trong việc xử lý các chi tiết nhỏ với độ chính xác cao hơn so với các phương pháp truyền thống. Việc tối ưu hóa gripper trở nên quan trọng để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy.

1.1. Ứng Dụng Gripper Trong Tự Động Hóa Xi Lanh

Việc sử dụng gripper trong tự động hóa quy trình lắp ráp xi lanh mang lại nhiều lợi ích, bao gồm tăng năng suất, giảm thiểu sai sót và nâng cao độ chính xác. Gripper công nghiệp được tùy chỉnh cho các ứng dụng cụ thể, có thể gắp và đặt các xi lanh vào vị trí mong muốn một cách nhanh chóng và hiệu quả. Ngoài ra, gripper linh hoạt có khả năng thích ứng với sự thay đổi kích thước và hình dạng của xi lanh, tạo ra sự linh hoạt cho quy trình sản xuất. Việc tích hợp cảm biến gripper còn giúp theo dõi và điều chỉnh lực kẹp, đảm bảo không làm hỏng các chi tiết mỏng manh.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Thiết Kế Gripper Xi Lanh

Thiết kế gripper xi lanh đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Cần xem xét các yếu tố như kích thước, hình dạng, vật liệu và cơ chế hoạt động của gripper. Vật liệu cho gripper cần có độ bền cao, khả năng chịu mài mòn và tính linh hoạt tốt. Thiết kế gripper xi lanh cần đảm bảo lực kẹp đủ mạnh để giữ chặt xi lanh, đồng thời tránh gây ra ứng suất quá mức có thể làm hỏng chi tiết. Việc sử dụng phần mềm thiết kế gripper hỗ trợ cho quá trình tạo mẫu và mô phỏng, giúp tối ưu hóa hiệu suất trước khi sản xuất.

II. Thách Thức Trong Tối Ưu Hóa Gripper Cho Mẫu Xi Lanh

Việc tối ưu hóa gripper cho mẫu xi lanh đặt ra nhiều thách thức. Đầu tiên, cần đảm bảo độ chính xác và độ lặp lại cao trong quá trình gắp và đặt. Thứ hai, cần tối thiểu hóa lực kẹp để tránh làm hỏng xi lanh. Thứ ba, cần thiết kế gripper sao cho có kích thước nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ. Ngoài ra, việc tích hợp cơ chế chấp hành linh hoạt cũng đòi hỏi kỹ thuật thiết kế và sản xuất tiên tiến. Luận án của Linh (2023) tập trung vào việc giải quyết các thách thức này bằng cách sử dụng các phương pháp mô hình hóa và phân tích FEM gripper hiện đại.

2.1. Yêu Cầu Về Độ Chính Xác Gripper

Yêu cầu về độ chính xác gripper là một trong những yếu tố quan trọng nhất cần xem xét. Sai số trong quá trình gắp và đặt có thể dẫn đến lỗi lắp ráp và ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Việc sử dụng cảm biến gripper và hệ thống điều khiển phản hồi giúp cải thiện độ chính xác. Các phương pháp mô phỏng gripper cũng cho phép đánh giá và tối ưu hóa độ chính xác trước khi chế tạo. Ngoài ra, việc lựa chọn vật liệu cho gripper có hệ số giãn nở nhiệt thấp cũng giúp giảm thiểu sai số do thay đổi nhiệt độ.

2.2. Giảm Thiểu Lực Kẹp Gripper Để Tránh Hư Hỏng

Việc giảm thiểu lực kẹp gripper là rất quan trọng để tránh làm hỏng các xi lanh mỏng manh. Lực kẹp quá lớn có thể gây ra biến dạng hoặc nứt vỡ. Gripper mềm và gripper thông minh có khả năng điều chỉnh lực kẹp một cách linh hoạt, đảm bảo an toàn cho chi tiết. Các nghiên cứu về cơ chế chấp hành linh hoạt cũng giúp thiết kế gripper có khả năng tự điều chỉnh lực kẹp dựa trên hình dạng và kích thước của xi lanh. Việc tích hợp cảm biến gripper giúp theo dõi và điều chỉnh lực kẹp theo thời gian thực.

2.3. Độ Bền Gripper Trong Môi Trường Công Nghiệp

Độ bền gripper là một yếu tố quan trọng để đảm bảo hoạt động liên tục và ổn định trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt. Gripper công nghiệp phải chịu được tải trọng, rung động, và các điều kiện môi trường khác nhau. Việc lựa chọn vật liệu cho gripper có độ bền cao và khả năng chống mài mòn là rất quan trọng. Các phương pháp phân tích FEM gripper giúp đánh giá và tối ưu hóa độ bền trước khi chế tạo. Ngoài ra, việc bảo trì và kiểm tra định kỳ cũng giúp kéo dài tuổi thọ của gripper.

III. Phương Pháp Thiết Kế Gripper Bất Đối Xứng Với Cảm Biến

Luận án này đề xuất một phương pháp thiết kế gripper bất đối xứng có khả năng tích hợp cảm biến dịch chuyển. Các cảm biến đo biến dạng được đặt trên các dầm linh hoạt của gripper, biến nó thành một cảm biến dịch chuyển với độ phân giải micromet. Các phương trình tĩnh và động của gripper được xây dựng thông qua mô hình vật rắn giả (PRBM) và nguyên lý Lagrange. Theo Linh (2023), việc sử dụng cao su silicone để lấp đầy các khoang hở của gripper giúp tăng độ cứng và tần số dao động.

3.1. Thiết Kế Cơ Cấu Gripper Linh Hoạt Bất Đối Xứng

Thiết kế cơ cấu gripper linh hoạt bất đối xứng cho phép tích hợp các cảm biến dịch chuyển một cách dễ dàng. Cấu trúc bất đối xứng tạo ra các vùng biến dạng tập trung, giúp tăng độ nhạy của cảm biến. Việc sử dụng phần mềm thiết kế gripper cho phép tạo ra các hình dạng phức tạp và tối ưu hóa hiệu suất của cơ cấu. Các nghiên cứu về cơ chế chấp hành linh hoạt cũng cung cấp các nguyên tắc thiết kế để đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của gripper.

3.2. Tích Hợp Cảm Biến Đo Biến Dạng Trên Gripper

Việc tích hợp cảm biến gripper giúp theo dõi và điều khiển quá trình gắp và đặt một cách chính xác. Các cảm biến đo biến dạng, chẳng hạn như strain gauge, được đặt trên các dầm linh hoạt của gripper để đo lực và dịch chuyển. Tín hiệu từ cảm biến được sử dụng để điều khiển gripper và đảm bảo an toàn cho chi tiết. Việc lựa chọn vị trí và loại cảm biến phù hợp là rất quan trọng để đạt được độ chính xác và độ nhạy cao. Các phương pháp mô phỏng gripper giúp tối ưu hóa vị trí đặt cảm biến.

3.3. Vật Liệu Cao Su Silicone Tăng Cường Độ Cứng Gripper

Việc sử dụng vật liệu cho gripper như cao su silicone để lấp đầy các khoang hở của gripper giúp tăng độ cứng và tần số dao động. Cao su silicone có độ đàn hồi cao và khả năng hấp thụ rung động tốt. Việc lấp đầy các khoang hở giúp giảm thiểu biến dạng và tăng độ ổn định của gripper. Các phương pháp phân tích FEM gripper giúp đánh giá hiệu quả của việc sử dụng cao su silicone và tối ưu hóa thiết kế.

IV. Tối Ưu Hóa Gripper Đối Xứng Cho Lắp Ráp Xi Lanh Phương Pháp

Luận án cũng đề xuất một gripper đối xứng bao gồm hai hàm đối xứng được thiết kế cho ngành công nghiệp lắp ráp. Các mô hình động học và động lực học được phân tích thông qua PRBM và phương pháp Lagrange. Một kỹ thuật tính toán thông minh, hệ thống suy luận mờ dựa trên mạng thích ứng kết hợp với thuật toán Jaya, được đề xuất để cải thiện các phản hồi đầu ra của gripper. Theo Linh (2023), việc tối ưu hóa gripper đối xứng giúp cải thiện hiệu suất và độ chính xác trong quá trình lắp ráp xi lanh.

4.1. Thiết Kế Gripper Đối Xứng Cho Ứng Dụng Lắp Ráp

Thiết kế gripper đối xứng phù hợp cho các ứng dụng lắp ráp, đặc biệt là khi cần đảm bảo lực kẹp đồng đều trên cả hai mặt của chi tiết. Cấu trúc đối xứng giúp giảm thiểu sai số và tăng độ chính xác. Việc sử dụng phần mềm thiết kế gripper cho phép tạo ra các hình dạng phức tạp và tối ưu hóa hiệu suất của cơ cấu. Các nghiên cứu về cơ chế chấp hành linh hoạt cũng cung cấp các nguyên tắc thiết kế để đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của gripper.

4.2. Ứng Dụng PRBM Và Phương Pháp Lagrange

Ứng dụng PRBM và phương pháp Lagrange giúp phân tích động học và động lực học của gripper. PRBM là một phương pháp đơn giản và hiệu quả để mô hình hóa các cơ cấu linh hoạt. Phương pháp Lagrange cho phép xác định các phương trình chuyển động của gripper một cách chính xác. Các phương pháp này giúp tối ưu hóa thiết kế và điều khiển gripper.

4.3. Thuật Toán Jaya Trong Tối Ưu Hóa Gripper

Thuật toán Jaya là một thuật toán tối ưu hóa mạnh mẽ và hiệu quả. Thuật toán này được sử dụng để tối ưu hóa các phản hồi đầu ra của gripper, chẳng hạn như lực kẹp, độ chính xác và tốc độ. Jaya có ưu điểm là dễ thực hiện và không yêu cầu nhiều tham số điều chỉnh. Các kết quả nghiên cứu cho thấy Jaya có hiệu quả hơn so với các thuật toán tối ưu hóa khác trong việc tối ưu hóa gripper.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn Và Kết Quả Nghiên Cứu Về Gripper

Các thí nghiệm vật lý được thực hiện để đánh giá hiệu quả của cả hai loại gripper linh hoạt. Các kết quả thực nghiệm tương đối phù hợp với kết quả lý thuyết. Theo Linh (2023), các gripper được phát triển có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp lắp ráp, đặc biệt là trong việc xử lý các chi tiết nhỏ và mỏng manh.

5.1. Đánh Giá Hiệu Quả Gripper Qua Thí Nghiệm Vật Lý

Các thí nghiệm vật lý là một phương pháp quan trọng để đánh giá hiệu quả của gripper. Các thí nghiệm được thực hiện để đo lực kẹp, độ chính xác và tốc độ của gripper. Các kết quả thực nghiệm được so sánh với kết quả lý thuyết để xác định độ tin cậy của mô hình và thiết kế. Các thí nghiệm cũng giúp xác định các vấn đề tiềm ẩn và cải thiện thiết kế gripper.

5.2. So Sánh Kết Quả Thực Nghiệm Với Kết Quả Lý Thuyết

Việc so sánh kết quả thực nghiệm với kết quả lý thuyết giúp xác định độ tin cậy của mô hình và thiết kế. Sự khác biệt giữa kết quả thực nghiệm và kết quả lý thuyết có thể do nhiều yếu tố, chẳng hạn như sai số trong quá trình chế tạo, sai số trong quá trình đo lường và sự đơn giản hóa trong mô hình. Việc phân tích các sai số này giúp cải thiện mô hình và thiết kế.

VI. Kết Luận Và Hướng Nghiên Cứu Tương Lai Về Gripper

Luận án này đã trình bày các phương pháp thiết kế và tối ưu hóa gripper cho mẫu xi lanh. Các gripper linh hoạt được phát triển có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp lắp ráp. Các hướng nghiên cứu tương lai bao gồm việc phát triển các gripper thông minh có khả năng tự học và thích ứng với các điều kiện làm việc khác nhau.

6.1. Phát Triển Gripper Thông Minh Với Khả Năng Tự Học

Phát triển gripper thông minh với khả năng tự học là một hướng nghiên cứu đầy hứa hẹn. Gripper thông minh có thể sử dụng các thuật toán học máy để học hỏi từ kinh nghiệm và cải thiện hiệu suất theo thời gian. Ví dụ, gripper thông minh có thể học cách điều chỉnh lực kẹp dựa trên hình dạng và kích thước của chi tiết, hoặc học cách tránh các vật cản trong môi trường làm việc.

6.2. Ứng Dụng Gripper In 3D Cho Sản Xuất Nhanh

Gripper in 3D là một giải pháp sản xuất nhanh và linh hoạt. In 3D cho phép tạo ra các hình dạng phức tạp và tùy chỉnh gripper cho các ứng dụng cụ thể. Việc sử dụng gripper in 3D giúp giảm thời gian và chi phí sản xuất.