BO CONG THUONG
TRUONG DAI HOC CONG NGHIEP THANH PHO HO CHi MINH

WH
VO XUAN HOANG

THIET KE, TOI UU HOA CO CAU CAN BANG
TRONG LUC SU DUNG CO CAU MEM

Ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
Mã ngành: 80520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHĨ HỊ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2023


Cơng trình được hồn thành tại Trường Đại học Cơng nghiệp TP. Hề Chí Minh.
Người hướng dẫn khoa học: TS. Đào Thanh Phong
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn thạc sĩ Trường

Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày 01 tháng 12 năm 2023
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. TS. Nguyễn Viễn Quốc, Chú tịch hội đồng

2.TS. Ao Hùng Linh, Thư ký hội đồng
3. PGS.TS Phạm Huy Tuân, Phản biện 1
4. TS. Dang Hoang Minh, Phản biện 2

5. PGS.TS Nguyén Thanh Hải, Ủy viên
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc Si)

CHU TICH HOIDONG

TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ


BỘ CƠNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP
THÀNH PHĨ HỊ CHÍ MINH

CONG HOA XÃ HỌI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Võ Xuân Hoàng

MSHV:

Ngày, tháng, năm sinh: 03/09/1994

Nơi sinh: Quang Tri

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí

18105061

Mã chuyên ngành: 80520103

L TÊN ĐÈ TÀI: Thiết kế, tối ưu hóa cơ cầu cân bằng trọng lực sử dụng cơ cầu mềm


(Design and
mechanism)

optimization

for

a gravity-balanced

mechanism

using

compliant

NHIEM VU VA NOI DUNG:
-_
-_

Nghién ciru co céu cân bằng trọng lực sử dụng cơ cầu mềm.
Tính tốn thiết kế các thơng số liên quan đến hai lị xo.
Phan tích, tối ưu thơng số hai lị xo.
Tiến hành thực nghiệm kiểm chứng hai lị xo.

-_

Phân tích, đánh giá và nhận xét kết quả đạt được.

II. NGAY GIAO NHIEM VU: 10/03/2020
HI. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 14/12/2022

IV. NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
Người hướng dẫn chính: TS. Đào Thanh Phong

Tp. Hồ Chí Minh, ngày .. tháng .. năm 2023
NGƯỜI HƯỚNG DẪN

CHU NHIEM BO MON DAO TẠO

(Ho tén va chit ky)

(Ho tén va chit ky)

TRƯỞNG

KHOA

CƠNG NGHỆ

(Ho tén va chit ky)

CƠ KHÍ


LOI CAM ON
Sau một thời gian thực hiện đề tài, luận văn

“Thiét ké, téi ưu hóa cơ cấu cân bằng

trong luc sit dung co cẩu mêm ” của tôi đã hoàn thành. Ngoài sự cố gắng, nỗ lực của
bản thân, luận văn này được hồn thành cịn có sự hướng dẫn,


giúp đỡ tận tỉnh của

quý thầy cô, bạn bè, gia đình tơi trong suốt qng thời gian học tập và làm luận văn
tại trường của minh.
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn khoa học TS. Đào Thanh Phong
đã giành nhiều thời gian, tâm huyết và nhiệt tình hướng dẫn, định hướng, góp ý, động
viên tơi trong suốt quá trinh thực hiện luận văn.

Em cũng xin cảm ơn Thầy Châu Ngọc Lê cũng như các quý thầy cơ thuộc Khoa Cơ
khí và tồn thế q thấy cô của Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí
Minh đã truyền đạt kiến thức cho em trong suốt quãng thời gian học tập tại trường
cũng như hướng dẫn, giúp đỡ tận tình trong quá trình thực hiện luận văn.
Em cũng gứi lời cảm ơn các anh chị, bạn bè trong và ngoài lớp đã chia sẻ kiến thức,
đã động viên hết sức nhiệt tình, điều này giúp em vượt qua được mọi khó khăn trong
q trỉnh hồn thành luận văn.
Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình, người thân đã ủng hộ về tinh than, vat chat, va
tạo mọi điều kiện cho em trong suốt những năm học vừa qua
Chân thành cảm 0n.

Học viên

Võ Xuân Hoàng


TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hiện nay, cơng nghệ rơbốt (Roboties) là một lĩnh vực khoa học kỹ thuật liên ngành đã và

đang phát triển và ứng dụng rộng rãi trong sản xuất và đời sống. Trong các thiết bị rôbốt, các
cơ cầu cân bằng được sử dụng để đảm bảo an toàn. Các cơ cấu cân bằng trọng lực thường

làm việc ở tốc độ thấp. Thông thường, trọng lực hoặc mơ men xoắn tĩnh sẽ có giá trị lớn hơn

mô men xoắn động và thường được sử đụng hơn mơ men xoắn động. Trong việc thiết kế cơ
khí, cơ cầu cân bằng trọng lực đóng vai trị quan về mặt hiệu quả năng lượng. Trong một thiết
bị hoạt động thụ động, cơ cấu cân bằng trọng lực giúp giảm thiểu mô men xoắn điều khiển.

Cơ cầu cân bằng trọng lực giúp người sử dụng có thê sử dụng thiết bị mà khơng cảm thấy
được tải trọng.

Luận văn này trình bày các kết quả nghiên cứu theo hướng phát triển cơ cấu cân bằng trọng
lực sử đụng cơ cấu mềm thay vì dùng các loại cơ cấu truyền thống. Phương pháp giải tích
được vận dụng để xây dựng cơng thức tính tốn và tìm mối quan hệ của độ cứng của lị xo
kéo và nén. Tiếp theo, phương pháp mơ phỏng được đùng để tìm ra các giá trị cần thiết cho
việc tối ưu lò xo như ứng suất, chuyên vị chính theo phương X, chuyển vị tổng. Giải thuật tối
ưu đi truyền đa mục tiêu (MOGA)

được áp đụng để tìm thơng số tối ưu cho hai lị xo. Kết

quả đạt được khi tối ưu lò xo như sau: Chiều cao lò xo nén bằng 16 mm, chiều dải thanh dầm

bằng 7 mm, chiều dày lò xo nén bằng I1 mm. Kết quá đạt được khi tối ưu lò xo kéo bao gồm:
Chiều cao lò xo kéo bằng 28,5 mm, chiều dài thanh dầm bằng 17 mm, chiều dày lò xo kéo
bằng I mm.
Dựa trên thông số tối ưu, hai lò xo đã được chế tạo và thực nghiệm để đo chuyển vị. Kết quả
đạt thực nghiệm trên lò xo nén tìm thấy chuyển

vị với giá trị trung bình là 12,18 mm

sau 5


lần thí nghiệm, giá trị sai lệch vào khoảng 14,45 3⁄2 so với kết quả tối ưu. Kết quả thực nghiệm
đối với lị xo kéo tìm được chuyển Vị với giá tri trung bình là 13.3§8 mm sau 5 lần thí nghiệm,

giá trị sai lệch vào khoảng 12,41 % so với kết quả tối ưu.

il


ABSTRACT
Currently, robot technology or robotics is a highly developed interdisciplinary scientific and
technical field, in which balancing mechanisms

are mainly used in robotic mechanisms

working at low speeds for safety reasons. Therefore, gravity or static torque has a larger value
and is often used than dynamic torque. Gravity balancers play an important role in mechanical
design in terms of energy efficiency. In an active device the gravity balancer helps to reduce
the driving torque, in a passive device the gravity balancer makes it possible for the user to
use the device without feeling the load important.
This thesis presents a development of a gravity balance mechanism using compliant springs
instead of using other traditional springs. The research process uses analytic methods find out
the relationship of the stiffness of the tension and compression

springs. The numerical

simulation is used to find out the necessary parameters for the springs. Multi-objective genetic
optimization (MOGA)

is applied to solve the optimization problems for both springs. The


optimal results of the compression spring are as follows: The height is 16 mm, beam length
is 7 mm, and thickness is 1 mm. The optimal results of the tension spring include the height
of 28.5 mm, the length of 17 mm, and the thickness of 1 mm. After the optimization was
completed, both the springs are fabricated, and the experiments were carried out. For the
compression spring, the experimental results found that the average value of displacement of
12.18 mm

after 5 testing times, and the deviation value is about 14.45% compared to the

predicted result. For the tension spring, the experimental results found that the average value
of displacement is 13.388 mm after 5 testing times, and the error is about 12.41% compared
to the calculated results.

1H


LOI CAM DOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của bản thân tôi.
Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất
kỳ một nguồn nào và đưới bất kỳ hình thức nào.
Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu

tham khảo đúng quy định.

Học viên

Võ Xuân Hoàng

1V



MỤC LỤC. . . . . . . . . . . . -

55-2222: 2225222112221122212211122112112112222222122222
ra v

DANH MỤC HÌNH ẢNH...........................-2-©222222222222112211211122112211211122122112212212222212222
2e viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU. . . . . . . . . . . .

222 S222225222121121121121112111111211111121121122122222
xe X

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮTT......................--©222222 2212221222112212211122121122122211211222122 re. xi

Decl Mipest SC hung: evecesserssnsaneensmmacee uses one vennenrestenauar innate

wareauesweranuensor sen mnrernemmwmemeseat’ 2

2.2 Mục tiêu cụ thé..c.ccccccccccesccsessesessesessesucsesussesucsesuesessssesucsesucsesssesuseessetsseestssestsessesesees 2

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.......................-- -2-22s22222222221122112711271127112212212122

e0 3

3.1 Đối tượng nghiên cứu.........................--S222 22222212212221221122122122121212221222 re 3
K3

0283 0


0n...

.................

3

4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu........................--©-2-S2222222122212221122122212212222
e0 3
5.Y nghĩa khoa học và thực tiễn của để tài. . . . . . .

các.

2n

2n

H1 n1

1 121grree 4

5.1 Ý nghĩa khoa học. . . . . . . . . - 22222222122111211121112111211121112111111221122122222222222ee 4
5.2 Ý nghĩa thực tiễn. . . . . . . . . . . .CHƯƠNG

1

22-222 222221121112111211121112111211121122121121222212222
re 4

TỎNG QUAN........................


0: 2222221 222112121211121112111211121111111
1e. 5

1.1 Giới thiệu về cơ cấu cân bằng ẲroHÐlỨG sossesennieiinbiidndaEtiddAECiLHETSSAĐ150
0160030 014004/903/.040E1 5

1.2 Các nghiên cứu trong nước và ngOải hƯỚC ................... nh
I9

li

in

nh.

1:2:2 Các nghiên etry goal NU Cress

we wen

ga

key 6

............

6

thai SE IRĐLRSENHHBGIIEEIEGHISEESCHINSESIIAHIBSiSAMiBA 9

6c na... ..................... 12

CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYÊT,...................-.:-25222222222. tt...
rrrre 13
2.1 Giới thiệu cơ cấu mềm ................. c5. 2 22 12211111111111111111111111111111112
111211112 na

2.2 Phương pháp nghiên cứu
2.2.1 Phương pháp mô phỏng....................

cà

t St nh

HT

TH

HH

triệt 15

2.2.2 Phương pháp đáp ứng bể mặt ...........................2-©222222222221122112711271221222222
xe 15
2.2.3 Phương pháp thiết kế thí nghiệm .........................252-222 222221222112211221122122122221 e0 16
2.2.4 Phương pháp KTIBInE................

ác nh

HT


HH

HH

trệt 17


2.2.5 Phương pháp tối ưu di truyền đa mục tiêu (Multi-Objective Genetic Algorithm —
MOGA) summa
18
2.2.6 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm .........................
óc n2 nhe
20

2.3 Kết luận. . . . . . . .
CHƯƠNG 3

c2

HH

H2

HH.

ng nh gang rku 20

KÉT QUÁ NGHIÊN CỨU..................... 5c 2sETE122212112211211 01121101 rteg 21

3.1 Thiết kế cơ cấu cân bằng trọng lực..........................---22222222 221222121121121121121222

re 21
3.2 Tinh toán thiết kế cơ cấu cân bằng trọng lực.....................
2-2222 222221222122212221221221 2 xe. 23

3.2.1 Tính tốn chiều dài thanh nối.........................-...---¿:-222tccctEttrtrrrrrrrrrie 23
3.2.2 Tính tốn chiều dải lò xo kéo, độ biến dang của lò xo kéo và lực của lị xo kéo 23
3.2.3 Tính tốn chiều dải lò xo nén, độ biến đạng của lò xo nén và lực của lị xo nén 24

3.2.4 Tính tốn góc Ốp Và n. . . . . . .

TH

HH

HH

hy

24

3.2.4.1 Tính tốn BĨC p................cccS
nh
HH HH
HH
He 24

32:42 Tính tốn góc Ẳn:icsiintiiiddrieindiddeitiidttosbitiiosStlIH
A84 QX2SNlUSUSESOUB 24
3.2:5i Tính tốn momen: phản Ứng 2Ï::::iicscscserssssenisiieeiniid
na BnddAdHa 4114416 00400800 106 25

3.2.6 Tính tốn độ cứng của lị XG KÉO. . . . . . . . .

HH

HH

HH

HH trệt 25

3.3 Thiết kế, phân tích và tối ưu lị xo nén......................--©-2-S22221221221221121122121122211
2 xe. 26
3.3.1 Thiết kế ban đầu của lị xo nén.....................-2sc
2222212 2211221 1212121111, 26
3.3.2 Thu thập dữ liệu và phân tích .........................ác c1 t1 2 nh
HH ket
27
3.3.2.1 Phân tích ứng suất tương đương, chuyên vị chính theo phương X, chuyển vị
tơng của lị Xo nén..................... series
29

3.3.2.2 Thiết kế thí nghiệm cho lò xo nén......................
22222 2222212221222222222 xe 32
3.3.2.3 Đáp ứng bề mặt (Response Surfaee)....................
S2 2222222122122
ee 33

3.3.2.4 Tối ưu lò xo nén....................---ccccc201122221
tt HH. He
37

3.4 Thiết kế, phân tích và tối ưu lị xo kéo.....................---©22S22 22222212212211221222122122222 2 xe. 39

3;z1:1 Thiết: kể ban tiều của lỗ xe KẾ nuagninnitsinidØitiG00g9038101S0301D0013003001380GH30D88 39
3.4.2 Thu thập dữ liệu và phân tích .........................-S1 SH HH HH
ty 40
3.4.2.1 Phân tích ứng suất tương đương, chuyên vị chính theo phương X, chuyển vị
D013: 8b o0‹ ha
ồ.êễ®'.ễ®^..®3ˆ®”."^..-”'.Ầ...... 41

3.4.2.2 Thiết kế thí nghiệm cho lò xo kéo.....................
5522222 2212122212221222222222 xe 44
3.4.2.3 Đáp ứng bề mặt (Response Surfaee)....................
S2 2222122222222
ke 45

3.4.2.4 Tối ưu lò XO Kéo.....................-c
c0 111... HH He 50
3.5 Thí nghiệm và đánh giá kết quả........................----22222 2212221122122121121121121222 2e 51
vi


3 Sel, Quy tinh thi nehiein eccsense ce sremeene meneame

51

3.5.2 Chuẩn bị thí nghiệm........................-222 222212211221111111121121121121222122222 xe 52
“Pin...

3.5.2.2 Chế tạo lị xo nén. . . . . . . . . .


.....................

22222222 222122211271127122122122121201212212222re 54

3.5.2.3 Chế tạo lò xo kéo...
3.5.2.4 Đồ gá kẹp. . . . . . . . . .-

52

55
see 2212222212221

re 56

3.5.3 Mơ tả thí nghiệm........................-2222 22112221271127112711271227122121122. 2
re. 56
3.5.4 Kết quá thí nghiệm. . . . . . . . . . . .- -

22 22222122212211221111111111121121212121222222
xe 57

Ss

rau 60

KẾT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ,. . . . . . . . . . .
<1.
bà.

. 2252 S22221222122712221221221221212122221222212

xe 61

................. .......
8n.

.a........Ẽ.ẼšẼ..........

61
61

TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................--222-222222122212211221221122122122121221212222122212
xe 64

PHỤ LỤỤC.........................2-©2222222222122121122212111221112271121122122221222222112222
re. 66
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN........................
22222 2212221222122212221222222222.2 e6 74

Vii


DANH MUC HiNH ANH
Hinh 1.1 Cơ cấu đối trọng. . . . . . . . . . . . .
22-22222222 221211211221111121111121212121212122222xe 5
Hình 1.2 Các cơ cấu lị xo: a) Lị xo nằm ngồi liên kết, b) Lị xo nằm trong liên kết, c) Co
cấu hình bình hành, đ) Cơ cấu Cable Cam.....................5. tt H12 11 perry 6
Hình 1.3 Liên kết năm thanh phẳng với bốn cặp bánh răng bổ sung để cân bằng momen
"5 .......aaa..............
7
Hình 1.4 Cơ cấu tay quay trượt khơng gian ............................

22-222 2222221221122112111221122112212122 xe 7
Hình 1.5 Cơ cấu cân bằng trọng lực sử dụng lị xo phẳng............................--©222 2222222222222.
8
Hình 1.6 Mơ hình lị xo phẳng mềm.........................222: 22 222222122312111111111221121112112112212222 xe 9
Hình 1.7 Mơ hình cơ cấu cân bằng trọng lực với các thành phần bên trong: a) Mơ hình CAD
của cơ cấu, b) Các thành phần bên trong cơ cấu...
Hinh 1.8 Mơ hình cơ cấu cân bằng khơng gian 2 khâu
Hình 2.1 Một vài ví dụ về cơ cầu mềm: a) Đĩa đệm cột sống nhân tạo, b) Đĩa ly tâm cơ cầu
mềm, c) Co cau Lamina, d) May tap thể dục cơ cấu mm

Hình 2.2 Lưu đồ của MOGA. . . . . . . . . . . .

.......................----csscccs2 14

22222 ,nnnnnnnnH..111tere 19

Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình

3.1 Sơ để cơ cấu cân bằng trọng lực ...
21
3.2 Sơ để phân tích lực của co cau cfn bang trong bite 2... eee cece eee ceeeecteeeees 22

3.3 Hình dạng của lị XO M600...
eee eeeceeeeeeeeceeeeeeeeeeseeeteeeeeecesaeseeerscarseeesereaeeaeeeseneats 27
3.4 Mơ hình chia lưới (Mesh) của lị xo nén.......................-.
S2. 2. S12 x2 SH
rớt 29
3.5 Sơ để phân bố chất lượng lưới theo tiêu chuẩn Skewness..............................--2-22-- 30
3.6 Ứng suất tương đương của lị xo nén........................--22-221 22122212221222222122
xe 30
3.7 Chun vị chính theo phương X của lò xo nén....................
5222222221 2222212221222122.ee 31
3.8 Chuyên vị tổng của lò xo nén. . . . . . . . . .
22222221 22212221222127122222212212222
xe 31
3.9 Sơ để phù hợp cho ba hàm mục tiêu sử dụng phương pháp Kriging....................... 34
3.10 Ảnh hưởng chính của chiều cao lị xo và chiều cao thanh dầm: a) Đối với ứng
suất tối đa, b) Đối với chuyển vị chính theo phương X tếi đa, e) Đối với chuyên
VA 169g 06H ng:‡4...................... 35
Hình 3.11 Ảnh hưởng chính của chiều cao lị xo và độ dày lò xo: a) Đối với ứng suất tối đa,
b) Đối với chuyển vị chính theo phương X tối da, c) Đối với chuyến vị tổng tối
Hình 3.12 Ảnh hưởng chính của độ dày lị xo và chiều cao thanh đầm: a) Đối với ứng suất
tối đa, b) Đối với chuyển vị chính theo phương X tối đa, e) Đối với chuyển vị
tổng tối đa
... 36
Hình 3.13 Sơ đồ phân tích độ nhạy của lị xo nén
37
Hình 3.14 Hình đạng của lồ xo KRẾObicccscnskesnnninHen
gi Ha nga Gan Bá g 001 081014136 00719116 00400188 39
Hình 3.15 Mơ hình chia lưới (Mesh) của lị xo kéO..................
ác 2c 2n SH HH
He, 42

Hình 3.16 Sơ đồ phân bế chất lượng lưới theo tiêu chuẩn Skewness..............................-------. 42
Hình 3.17 Ứng suất tương đương của lị xo kéo...............
..43
Hình 3.18 Chuyến vị chính theo phương X của lị xo kéo.......................-22252 2222222222222. .ee 43
Vili


Hình 3.19 Chuyến vị tổng của lị xo Kéo.....................-22 eeeeeeeeeeentvtenetevttetetevtteneeneeeeeeeees 44
Hình 3.20 Sơ đồ phù hợp cho ba hàm mục tiêu sử đụng phương pháp Kriging..................... 46
Hình 3.21 Ảnh hưởng chính của chiều cao lị xo và chiều cao thanh dầm: a) Đối với ứng
suất tối đa, b) Đối với chuyển vị chính theo phương X tếi đa, c) Đối với chun
"x... 8 ...................... 47
Hình 3.22 Ảnh hưởng chính của chiều cao lò xo và độ dày lò xo: a) Đối với ứng suất tối đa,
b) Đối với chuyển vị chính theo phương X tối đa, e) Đối với chuyền vị chính
ị8:
Sẽ. ...............
48
Hình 3.23 Ảnh hưởng chính của độ dày lò xo và chiều cao thanh đầm: a) Đối với ứng suất
tối đa, b) Đối với chuyển vị chính theo phương X tối đa, c) Đối với chuyển vị
tổng tối đa. . . . . . . .22 2212221221222122121221221221221221212212212212121222
re. 49
Hình 3.24 Sơ đồ phân tích độ nhạy của lị xo kéo.....................-52
2222 221221222122212221222222 e0 30
Hình 3.25 Giá đỡ thí nghiệm xoắn ốc (Spiral Test Rack) và thơng số cơ bản........................ 32

Hình 3.26 Thước kỹ thuật sỐ. . . . . .

222222222 221222122712211271127112212012122122121212122
xe 53


Hình 3.27 Tay quay xoắn ốc................................

ve

Hình 3.28 Đồng hề đo lực kế hiển thị kỹ thuật sỐ..........................
222222 2122212221227122212221222 e0 53

Hình 3.29 Phần đế.............................-.-22 2221222 221122112211 2211221112111...
re
Hình 3.30 Phần có định chỉ tiẾt....................--55:2522222
2211 2211271122711... cttrrrke.
Hình 3.31 Lị xo nén được chế tạO. . . . . . . - c

S221 T121 E111 115121111 1111115121112 11 211

Hình 3.32 Lị xo kéo được chế tạo...

re
"

Hình 3.33 Chết kẹp được 1n

1X


DANH MUC BANG BIEU
Bảng
Bảng
Bảng
Bảng


2.1
3.1
3.2
3.3

Ưu điểm và nhược điểm của cơ cấu mềm.......................
222222221 222221222122212221222 e0
Bảng giới thiệu các ký hiệu và ý nghĩa...................
ác nh HH
He
Thông số thiết kế cơ cấu cân bằng trọng lực.......................--2222222222222122222222..
e6
Mối quan hệ giữa tải trong, độ cứng lò xo nén, độ cứng lò xo kéo........................

14
22
23
26

Bảng
Bảng
Bảng
Bảng
Bảng
Bảng

3.5 Tham số thiết kế của lò xo nén...........................-2252
S22 2212212221122122211221222122222 e6
3.6 Kết quả ứng suất, chuyên vị chính theo phương X, chuyên vị tổng của lị xo nén

3.7 Bảng thiết kế thí nghiệm của lò xo nén......................
5 S2222122122212222222222 xe
3.8 Mức độ phù hợp của đáp ứng bề mặt của lò xo nén....................... 2222222222222 ee
3.9 Tham số cơ bản của phương pháp MOGA.....
3.10 Giới hạn của đáp ứng bề mặt của lò xo nén....................
22222221 221222122122222.22 e6

27
32
32
33

Bảng 3.4 Thông số cơ bản của vật liệu. . . . . . . . . .

Bảng 3.11 Tối ưu lò xo nén. . . . . . . . . .

s52 S222 222221222122712212271221221222222
xe 26

22225222 221221122112712211221221222120121212122122222
xe

Bảng 3.12 Tham số thiết kế của lò xo kéo.......................
2 25 221 22212221222122222212222222 xe
Bảng 3.13 Kết quả ứng suất, chuyển vị chính theo phương X, chuyến vị tổng của lò xo kéo
Bảng 3.14 Bảng thiết kế thí nghiệm của lị xo kéo
Bảng 3.15 Mức độ phù hợp của đáp ứng bể mặt của lò xo kéo.......................--2222 222222222 cee 46
Bảng 3.16 Giới hạn của đáp ứng bề mặt của lò xo kéo....................à
25 2212212212222.
ee 30


Bảng 3.17 Tối ưu lò xo kéo. . . . . . . . . -

5s S21 12212211221227122212212221212122222222222
xe 51

Bảng 3.18 Kết quả thí nghiệm lị xo nén......................-2
252222221 22212221271222222122122212
xe sỹ
Bảng 3.19 Kết quả thí nghiệm lị xo kéo. . . . . . . . . .
22252222 2212221222122712222221221222222
xe 38
Bảng 3.20 Kết quả tính tốn độ cứng lị xo nén thực tẾ......................--2©72+22122222212212212222.ee 38

Bảng 3.21 Kết quả tính tốn độ cứng lị xo kéo thực tẾ..................
cee 222222222122212212222.ee 59
Bảng 3.22 Tham số thiết kế của lị xo nén sau khi tối ưu hóa........................---22222222222222222xcee 39
Bang 3.23 Tham số thiết kế của lò xo kéo sau khi tối ưu hóa........................---2222222222222222xee 60


DANH MUC TU VIET TAT
Từ viết tắt

Từ viết đầy đủ

CCD

Central Composite Design

DOE


Design of Experiments

GA

Genetic Algorithm

GBM

Gravity Balancing Mechanism

MOGA

Multi Objective Genetic Algorithm

RSM

Response Surface Methodology

XI


1. Dat vin dé
Công nghệ rôbốt (Roboties) là một lĩnh vực khoa học kỹ thuật liên ngành bao gồm các ngành
như kỹ thuật cơ khí, kỹ thuật thơng tin, kỹ thuật điện tử khoa học may tinh va các ngành liên

quan khác. Những nhiệm vụ chính của ngành cơng nghệ rôbốt bao gồm thiết kế, xây dựng,
chế tạo và ứng dụng rôbốt. Công nghệ rôbốt tạo ra các loại rôbốt để có thể thay thế hoặc lặp
lại hành động của con người. Các rơbốt được sử dụng cho nhiều tình huống và mục đích khác


nhau. Rơbốt có thể được sử đụng trong các mơi trường nguy hiểm (như phóng xạ hay phát
hiện bom), quy trình sản xuất hoặc nơi con người không thế tồn tại (như trong không gian,
trong nước hay trong nhiệt độ cao).
Ngày nay, các rôbốt được sử đụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau và cá trong cuộc
sống hằng ngày của chúng ta, ví dụ như sau:
Ngành công nghiệp sản xuất: Các rôbốt công nghiệp được sử dụng để gia công, lắp ráp
hay kiểm tra các sản phẩm như xe hơi hay thiết bị công nghiệp.
-

Dich vu Logistics: Cac rôbốt vận chuyển, xử lý và kiểm sốt chất lượng được rất nhiều các

cơng ty Logistics sử đụng. Các rôbốt chủ yếu được sử dụng trong kho hàng, trên đường để
tối đa hóa hiệu quả về thời gian.
-_

Ngành du lịch: Xe tự hành là sự kết hợp của khoa học đữ liệu và rôbốt.

-

Ngành y học: Ứng

dụng các rôbốt hỗ trợ phẫu thuật, robot hỗ trợ vận động hay rôbốt vật

lý trị liệu giúp bệnh nhân phục hồi sau chấn thương.
Trong cuộc sống hàng ngày: Rôbốt giúp con người làm các việc vặt như hút bụi, cắt có hay
làm sạch bề bơi, v.v...

Tại Việt Nam, ngành cơng nghệ rơbết đang cịn khá non trẻ nhưng rất giàu tiềm năng đo Việt
Nam dang dân trở thành một cơ sở sản xuất toàn cầu. Tuy nhiên, mặt hạn chế của ngành cơng
nghệ rơbốt tại Việt Nam đó là thiếu nhân lực, nhân lực chưa được đào tạo một cách bài bản,


các rôbốt đang được sử đụng ở Việt Nam chủ yếu là trong các đoanh nghiệp có vốn đầu tư


nước ngoài, một số doanh nghiệp Việt Nam đã đưa rơbốt vào sản xuất nhưng chỉ có quy mơ
vừa và nhỏ.

Hiện nay, các cơ cấu cân bằng được sử dụng chủ yếu trong các cơ cầu rôbốt làm việc ở tốc
độ thấp vì lý do an tồn. Vì vậy, trọng lực hoặc mơ men xoắn tĩnh sẽ có giá trị lớn hơn và

thường được sử dụng hơn mô men xoắn động. Cơ cấu cân bằng trọng lực đóng vai trị quan
trong trong việc thiết kế cơ khí về mặt hiệu quả năng lượng. Trong một thiết bị hoạt động, cơ
cầu cân bằng trọng lực giúp giảm thiểu mô men xoắn điều khiển, trong một thiết bị thụ động,

cơ cấu cân bằng trọng lực giúp người sử dụng có thê sử dụng thiết bị mà không cảm thấy
được tải trọng.
Các cơ cầu cân bằng trọng lực chủ yếu sử dụng hai loại cơ cấu:

() Loại co cấu thứ nhất là cơ

cấu đối trọng. Tuy nhiên, việc sử dụng cơ cấu đối trọng sẽ làm cho cơ cầu cân bằng trọng lực

trở nén céng kénh. (ii) Loại cơ cấu thứ hai là cơ cấu lò xo, sử đụng cơ cấu lò xo sẽ giúp cho
cơ cầu cân bằng trọng lực nhỏ gọn hơn so với cơ cấu đối trọng. Tuy nhiên, các cơ cấu cân
bằng trọng lực hiện nay đều sử dụng lò xo truyền thống, việc này khiến cho cơ cấu chưa thật
sự nhỏ gọn và gây ra khó khăn khi điều chỉnh độ cứng của lò xo.
Từ các lý do trên, tác giả di chon dé tài “Thiết kế, chế tạo cơ cấu cân bằng trọng lực sử
dung co cau mém” dé trién khai và thực hiện trong luận văn này.
2. Mục tiêu nghiên cứu đề tài
2.1 Mục tiêu chung

Mục tiêu chung của để tài nghiên cứu là: Nghiên cứu tính tốn thiết kế và tối ưu cơ cấu cân
bằng trọng lực sử dụng lò xo kéo và lò xo nén đạng mềm.
2.2 Mục tiêu cụ thể
Mục tiêu cụ thể của đề tài nghiên cứu là:

-_ Tính tốn thiết kế cơ cấu cân bằng trọng lực.
-_ Tính tốn thiết kế tối ưu hóa kích thước lị xo nén.

-_ Tính tốn thiết kế tối ưu hóa kích thước lị xo kéo.


-

Ché tao, thuc nghiém va danh gia chuyén vị của hai lò xo.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1 Đối tượng nghiên cứu
Trong để tài này, đối tượng nghiên cứu bao gồm:
-

Co cau can bang trọng lực;

-_

Lò xo nén;

-_

Lò xo kéo;


3.2 Phạm vị nghiên cứu
Các thông số thiết kế trong để tài này được phát triển từ các thông số cơ cấu của Yang và
cộng cộng sự [1], thông số góc quay từ (+26° đến -269) được phát triển thành (+309 đến -309),
phạm vi đề tài là tải trọng Ikg.
Phạm vi nghiên cứu của dé tai la:
Thiết kế cơ cấu cân bằng trọng lực bị động sử dụng lò xo kéo và nén cơ cầu mềm;

Tai trọng cân bằng là 1 kg:
Phạm vi cân bằng là trong khoảng [+30°

-30°].

4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn:
Phương pháp phân tích và kế thừa;
-_ Phương pháp giải tích;
-_ Phương pháp mơ phóng phần tử hữu hạn;
-

Phuong pháp qui hoạch thực nghiệm;

-_ Phương pháp tối ưu đi truyền đa mục tiêu (MOGA);
-_ Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm.


5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
5.1 Ýnghĩa khoa học
Ý nghĩa khoa học của để tài nghiên cứu bao gồm như sau:
-


Đề xuất nguyên lý tính toán thiết cơ cấu cân bằng trọng lực sử đụng lò xo kéo và lò xo nén
dựa trên cơ cấu mềm.

- Đề xuất qui trình tính tốn thiết kế tối ưu cho lò xo kéo và lò xo nén.
-_ Xây đựng quy tình thiết kế bằng cách sử dụng kết hợp các phương pháp đáp ứng bề mặt
(Response surface methodology - RSM), phương pháp tối ưu di truyền đa mục tiêu (Multiobjective genetie algorithm - MOGA),

phương pháp thiết kế thực nghiệm (Composite

central design - CCD) và phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn để thiết kế tối ưu thông
số của hai lò xo.
5.2 Ý nghĩa thực tiễn
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài nghiên cứu là:
-

Két quá của để tài nghiên cứu có thể làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu sau này
của các sinh viên khoa Cơng nghệ Cơ khí Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh.

-

Dé tai nghiên cứu có tiềm năng trong việc phát triển các thiết bị có sử đụng cơ cấu cân
bằng trọng lực.

-_ Cơ cấu cân bằng trọng lực có thế sử dụng trong lĩnh vực cơng nghệ rơbốt trong tương lai.


CHUONG 1

TONG QUAN


Trong chương này, tác giả giới thiệu sơ lược về cơ cầu cân bằng trọng lực (Gravity Balancing

Mechanism — GBM), dua ra céc co cfu bil trong lượng hiện có và một số ứng dụng của cơ
cấu cân bằng trọng lực. Chương này cũng trình bày về các nghiên cứu trong và ngoài nước.
về việc sử dụng cơ cầu cân bằng trọng lực.
1.1 Giới thiệu về cơ cấu cân bằng trọng lực
Co cấu cân bằng trọng lực BM) là cơ cấu có thể duy trì tổng thế năng của cơ cấu là hằng

số bởi việc chuyển năng lượng một cách bị động vào và ra khỏi một phần tử lưu trữ năng,
lượng. Bởi vì tổng trọng lượng của tải trọng và các thanh nối di chuyển thường được biết
trước nên cơ cầu cân bằng trọng lượng thường sử dụng phương pháp bù trọng lượng để cơ

cầu có thể cân bằng [1]

Tiện nay, các phương pháp bù trọng lượng chủ yếu gồm hai loại: (1) Sử dụng cơ cấu đối
trọng và (2) cơ cấu lị xo. Hình 1.1 [1] là sơ đồ của cơ cấu đối trọng. Việc sử dụng cơ cầu đối

trọng khá đơn giản và có thể cân bằng tất cả các vị trí, cơ cầu đối trọng đã được sử dụng rất
nhiều trong các cơ cấu công nghiệp. Trong cơ cấu đối trọng, vật đối trọng sẽ có trọng lượng

năng hơn tải, vì thể nó khơng phủ hợp cho các cơ cấu nơi mà tải trọng là một mối quan tâm.

hàng đầu.

Counter
|: weight

Hình 1.1 Cơ cầu đối trọng

Hình 1.2 [1] là một số sơ đỗ về cơ cầu lị xo. Hình 1.2(a) 1A cơ cầu lị xo đơn giản nhất với lị

xo nằm ngồi liên kết. Hình 1.20) là cơ cấu lị xo có lị xo nằm bên trong liên kết để tránh
5


gây va chạm với các thành phần khác của liên kết. Một cơ cấu lò xo khác là sử dụng hình
bình hành như trong hình 1.2(e). Cơ cấu này có thể được mở rộng với các cơ cấu có nhiều
bậc tự do tuy nhiên trọng lượng liên kết phải đủ lớn để có thể đặt lị xo theo đường chéo. Hình

1.2(đ) mơ tả cơ cấu lị xo loại cơ cấu day cap va cam (Cable Cam).

Hình 1.2 Các cơ cần lị xo: a) Lị xo nằm ngồi liên kết, b) Lị xo nằm trong liên kết, c)
Cơ cấu hình bình hành, d) Cơ cấu Cable Cam

Cơ cấu thường được sử dụng hon là cơ cấu lị xo, bởi vì lị xo có thể được coi là khơng có

trọng lượng. Cơ cấu cân bằng trọng lực sử dụng cơ cấu cân bằng tĩnh để đạt được tổng nang
lượng hấp dẫn và năng lương đàn hỏi là không đổi [2]. Cơ cấu cân bằng tĩnh có thể duy trì
trạng thái cân bằng tại bất kỳ hình dang nào mà khơng

có bộ truyền động làm việc để chống

lai trong lực. Do đó, cơ cấu cân bằng tĩnh rất hiệu quả và có thé dé dang kiểm sốt, nó được

áp dụng rộng rãi cho các hệ thống hiện có như máy xúc, cần cẩu, đèn nha sĩ, thiết bị hỗ trợ

vận động, v.v... [3].
1.2 Các nghiên cứu trong nước và ngoài nước
1.2.1 Các nghiên cứu rong trúc

Hiện nay trong nước bắt đầu có một số nhóm tác giả nghiên cứu về cơ cấu cân bằng trọng

lực.

Nghiên cứu của tác giả Nguyễn và cộng sự [4] đã trình bày một phương pháp mới để rút ra

các điều kiện cân bằng của các cơ cấu phẳng với nhiều bậc tự do. Phương pháp này có lợi thế
làphù hợp cho việc áp dụng các hệ thống đại số máy tính có thể truy cập rộng rãi như MAPLE.
Hình 1.3 giới thiệu về cơ cấu phẳng 5 khâu sử dụng 4 cặp bánh răng bổ sung để cân bằng