Luận án tiến sĩ phát triển và tối ưu hóa cơ cấu cân bằng trọng lực sử dụng cơ cấu mềm

Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O TR¯âNG Đ¾I HâC S¯ PH¾M KỸ THU¾T THÀNH PHà Hâ CHÍ MINH CHÂU NGâC LÊ PHÁT TRIÂN VÀ TàI ¯U HÓA C¡ CÂU CÂN BÂNG TRâNG LĂC Sþ DĀNG C¡ CÂU MÀM LU¾N ÁN TI¾N S) NGÀNH: KỸ THU¾T C¡ KHÍ Tp, Hß Chí Minh, tháng 5/2023 Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O TR¯âNG Đ¾I HâC S¯ PH¾M KỸ THU¾T THÀNH PHà Hâ CHÍ MINH CHÂU NGâC LÊ PHÁT TRIÂN VÀ TàI ¯U HÓA C¡ CÂU CÂN BÂNG TRâNG LĂC Sþ DĀNG C¡ CÂU MÀM NGÀNH: KỸ THU¾T C¡ KHÍ - 9520103 Ng°åi h°ãng d¿n khoa hãc 1: TS. Đào Thanh Phong Ng°åi h°ãng d¿n khoa hãc 2: PGS. Lê HiÁu Giang PhÁn bián 1: PhÁn bián 2: PhÁn bián 3: Tp. Hß Chí Minh, tháng 5/2023 LâI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cāu cÿa tôi.

Các số liáu, kÁt quÁ nêu trong LuÁn án là trung thăc và ch°a từng đ°ÿc ai công bố trong bÃt kỳ công trình nào khác. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 5 năm 2023 (Ký tên và ghi rõ hã tên) Châu Ngãc Lê i CÀM T¾ BÅng tÃt cÁ tÃm lòng, tôi xin cÁm ¢n quý thÅy cô trong Ban giám hiáu, các phòng ban cÿa tr°ång ĐH S° ph¿m Kỹ thuÁt TP.HCM đã t¿o điÃu kián cho tôi đ°ÿc hãc tÁp, nghiên cāu t¿i nhà tr°ång. Tôi cũng xin gÿi låi tri ân đÁn quý thÅy cô ban chÿ nhiám và quý thÅy cô khoa C¢ khí ChÁ t¿o máy tr°ång Đ¿i hãc S° Ph¿m Kỹ ThuÁt Thành Phố Hß Chí Minh đã tÁn tình giÁng d¿y cho tôi trong suốt quá trình hãc tÁp. Đặc biát, em xin chân thành cÁm ¢n đÁn hai thÅy h°ãng d¿n khoa hãc: PGS.

TS Lê HiÁu Giang (Phó hiáu tr°çng phā trách, tr°ång Đ¿i hãc S° Ph¿m Kỹ ThuÁt Thành phố Hß Chí Minh) và TS. Đào Thanh Phong (Vián Khoa hãc Tính toán, tr°ång Đ¿i hãc Tôn Đāc ThÃng). NÁu không nhÁn đ°ÿc să giúp đỡ cÿa hai thÅy, tôi khó có thÅ hoàn thành đ°ÿc nghiên cāu này. Tôi cũng xin gÿi låi cÁm ¢n đÁn quý đßng nghiáp cÿa tôi t¿i khoa Công nghá C¢ khí, tr°ång Đ¿i hãc Công nghiáp thành phố Hß Chí Minh đã giúp đỡ tôi trong quá trình hãc tÁp và nghiên cāu.

Xin chân thành cÁm ¢n đÁn các b¿n trong LAB C¢ CÃu MÃm đã đßng hành cùng tôi trong quá trình nghiên cāu. Tôi cũng xin gÿi låi cÁm ¢n đÁn quý thÅy cô đã dành thåi gian quí báu cÿa mình đÅ tham gia phÁn bián khoa hãc và tham gia các hái đßng đánh giá luÁn án cÿa tôi. Mát lÅn nāa, tôi xin chân thành cÁm ¢n. Châu Ngãc Lê ii TÓM TÀT Hián nay, số ng°åi bá đát quỵ ngày mát tăng và tuái cÿa ng°åi đát quỵ ngày mát trẻ.

Đát quỵ d¿n đÁn các biÁn chāng Ánh h°çng đÁn ho¿t đáng hàng ngày. ĐiÃu này t¿o ra gánh nặng cho gia đình và xã hái. ĐÅ cÁi thián khÁ năng ho¿t đáng cÿa ng°åi bá đát quỵ, các thiÁt bá hß trÿ vÁn đáng và tÁp luyán phāc hßi chāc năng đã đ°ÿc phát triÅn. Trên các thiÁt bá này, c¢ cÃu cân bÅng trãng lăc th°ång đ°ÿc sÿ dāng.

C¢ cÃu cân bÅng trãng lăc là bá phÁn dùng đÅ lo¿i bỏ Ánh h°çng cÿa trãng lăc do khối l°ÿng t¿o ra. Khi mát vÁt đ°ÿc di chuyÅn bÅng thiÁt bá có sÿ dāng c¢ cÃu cân bÅng trãng lăc, thì nó đ°ÿc xem nh° di chuyÅn trong môi tr°ång lý t°çng. Lúc này, năng l°ÿng cÅn thiÁt đÅ di chuyÅn vÁt gÅn nh° bÅng không. Nhå đặc tính nái trái này, c¢ cÃu cân bÅng trãng lăc đã đ°ÿc āng dāng trong nhiÃu lĩnh văc nh°: khoa hãc, công nghá và đåi sống.

Tuy nhiên, khi sÿ dāng trong các thiÁt bá hß trÿ vÁn đáng cho ng°åi khuyÁt tÁt, c¢ cÃu cân bÅng trãng lăc cÅn phÁi có kÁt cÃu nhỏ gãn, nhẹ và phÁi điÃu chßnh đ°ÿc tÁi trãng dß dàng. Trong khi đó, c¢ cÃu cân bÅng trãng lăc vừa nhỏ gãn, nhẹ và có thÅ điÃu chßnh tÁi trãng dß dàng hián nay ch°a đ°ÿc nghiên cāu nhiÃu. Vì vÁy, luÁn án này trình bày mát thiÁt kÁ c¢ cÃu cân bÅng trãng lăc sÿ dāng c¢ cÃu mÃm đÅ đ¿t đ°ÿc tính nhỏ gãn, nhẹ và dß điÃu chßnh khi tÁi trãng thay đái. Dăa trên các phân tích và c¢ cÃu cân bÅng trãng lăc, nghiên cāu này đà xuÃt nguyên lý cân bÅng vãi táng mô men tác dāng bÅng không.

ThiÁt kÁ nguyên lý cÿa c¢ cÃu cân bÅng đ°ÿc thăc hián bÅng să kÁt hÿp giāa lò xo phÇng và khãp xoay mÃm. Nguyên lý và ph°¢ng pháp điÃu chßnh đá cāng cÿa lò xo phÇng cũng đ°ÿc đà xuÃt trong nghiên cāu này. Bên c¿nh đó, giá trá đá cāng cÿa lò xo phÇng và khãp xoay mÃm cũng đ°ÿc tính toán t°¢ng āng vãi mßi khối l°ÿng mà c¢ cÃu cÅn di chuyÅn. Viác tính toán này đ°ÿc thăc hián bÅng ph°¢ng pháp cân bÅng tĩnh.

Dăa trên kÁt quÁ tính toán, thiÁt kÁ, luÁn án này phát triÅn hai mô hình cho khãp iii xoay mÃm. Mô hình khãp xoay thā nhÃt đ°ÿc phát triÅn bÅng cách kÁt hÿp các lò xo xoÃn phÇng. Sau đó, thông số thiÁt kÁ đ°ÿc tối °u bÅng să kÁt hÿp giāa ph°¢ng pháp phÅn tÿ hāu h¿n, đáp āng bà mặt và thuÁt toán tối °u bÅy đàn. KÁt quÁ cÿa khãp xoay thā nhÃt xác đánh đ°ÿc kích th°ãc chiÃu dày t= 0,94 mm và không gian R= 40 mm.

KÁt quÁ dă đoán đ°ÿc so sánh vãi kÁt quÁ mô phỏng vãi sai số 6,1 % cho khối l°ÿng, 1,68 % cho biÁn d¿ng và 5,6% cho āng suÃt. Mô hình khãp xoay thā hai đ°ÿc phát triÅn bÅng cách kÁt hÿp ph°¢ng pháp tối °u hóa cÃu trúc Topo, phÅn tÿ hāu h¿n, m¿ng n¢ ron må thích nghi và giÁi thuÁt chu kỳ n°ãc 3 con thiêu thân. KÁt quÁ tối °u đã t¿o ra mát khãp xoay thā hai vãi các thông số hình hãc bao gßm r1= 0,5 mm, t1= 0,36 mm, t2= 0,41 mm, l1= 11,3 mm, l2= 14,74 mm. So sánh vãi mô phỏng, sai số là 4,59% cho mô men, 4,16 % cho āng suÃt và 4,73% cho năng l°ÿng.

Dăa trên kÁt quÁ thiÁt kÁ nguyên lý cÿa c¢ cÃu cân bÅng trãng lăc, hai quy trình thiÁt kÁ, phân tích và tối °u hóa cho lò xo phÇng cũng đ°ÿc đà xuÃt. Trong viác thiÁt kÁ tính toán cho lò xo phÇng thā nhÃt, quy trình đ°ÿc t¿o ra là ph°¢ng pháp lai giāa mô phỏng phÅn tÿ hāu h¿n, đáp āng bà mặt và thuÁt toán tối °u di truyÃn đa māc tiêu. Dăa trên quy trình đà xuÃt, kÁt cÃu cÿa lò xo phÇng thā nhÃt đã đ°ÿc thiÁt kÁ và tối °u hóa. KÁt quÁ đã tìm ra thông số hình hãc có chiÃu dài 40,725 mm, chiÃu dày 0,940 mm và chiÃu ráng 9,602 mm.

So sánh giāa kÁt quÁ dă đoán và mô phỏng tìm thÃy sai số nhỏ h¢n 0,001% cho khối l°ÿng, 5,78% cho āng suÃt và 1,65% cho biÁn d¿ng. Trong viác thiÁt kÁ tính toán cho lò xo phÇng thā hai, quy trình đ°ÿc t¿o ra là kÁt hÿp giāa ph°¢ng pháp phân tích phÅn tÿ hāu h¿n, m¿ng n¢ ron hãc sâu và thuÁt toán chu kỳ n°ãc. Dăa trên quy trình đà xuÃt, kÁt cÃu cÿa lò xo phÇng thā hai đ°ÿc thiÁt kÁ và tối °u. KÁt quÁ đã tìm đ°ÿc kích th°ãc cÿa lò xo phÇng thā hai gßm t= 1,029 mm, L= 45 mm, w= 9 mm và r= 0,3 mm.

KÁt quÁ sai số giāa dă đoán vãi kÁt quÁ mô phỏng là 1,87% cho năng l°ÿng, 1,69% cho biÁn d¿ng và 3,06% cho āng suÃt. Từ kÁt quÁ thiÁt kÁ tối °u, c¢ cÃu cân bÅng trãng lăc đ°ÿc chÁ t¿o và thiÁt lÁp thăc nghiám. KÁt quÁ thăc nghiám chāng minh c¢ cÃu cân bÅng đà xuÃt đ¿t đ°ÿc cân bÅng iv khi tÁi thay đái trong ph¿m vi 250 gr đÁn 1000 gr. Khi c¢ cÃu làm viác ç vá trí 30,6o, sai số giāa mô men do khối l°ÿng và mô men do c¢ cÃu t¿o ra khi tÁi trãng thay đái 0,25 kg, 0,4 kg, 0,6 kg, 0,8 kg, 0,9 kg và 1kg lÅn l°ÿt t°¢ng āng là 2,91%, 4,5%, 2,86%, 3,27%, 0,25% và 3%.

Quá trình điÃu chßnh đÅ duy trì tr¿ng thái cân bÅng không cÅn sÿ dāng năng l°ÿng. v ABSTRACT Nowadays, large numerous amounts of people having a stroke are increasing while the age of stroked people is getting younger and younger. The stroke has strictly influenced on the life and movement of disabled people. This creates a burden on the family and society.

To enhance the moving ability of stroked people, mobility and rehabilitation training devices have been developed. In these devices, gravity balancing mechanism (GBM) is always employed. GBMs are utilized to eliminate the gravity influence which is caused by mass. By using a gravity balancer, when an object is moved, it is considered as a movement in an ideal environment.

As a result, the required energy is almost equal to zero. Due to this outstanding feature, numerous GBMs have been applied in many fields of science, engineering, technology, and life. For disabled mobility aids, gravity balancers should have a compact size, a lightweight, and a simple load adjustment. Nevertheless, such these GBMs have not been researched and developed yet.

Therefore, this thesis presents a design synthesis and analysis of a new GBM based on compliant mechanisms. Based on the analysis of the previous studies on GBMs, the principle of balance is determined via total torques on the mechanism are equal to zero. The principal design of the proposed GBM is developed by a combination of a planar spring and a compliant rotary joint. The principle and the adjusting procedure of the stiffness for the planar spring are presented under different balanced loads.

In addition, the stiffnesses of the planar spring and the rotary joint are computed through a static equilibrium method. In this thesis, two models for the compliant rotary joint are developed. The first model is developed using the tortional springs. The geometrical parameters of the 1st rotary joint are optimally determined through a combination of the finite element analysis method, response surface method, and swarm optimization algorithm.

The vi results of the 1st rotary joint found the optimal factors at t= 0.94 mm and R= 40 mm. The predicted results are compared with the simulation results with an error of 6.68% for strain, and 5. The 2nd rotary joint is developed based on a combination of the Topology method, finite element analysis method, adaptive network- based fuzzy inference system, and water cycle-moth flame optimization algorithm. The results of 2nd rotary joint identified the best factors at r1= 0.41 mm, l1= 11,3 mm, and l2= 14.

The estimated values are also compared with the simulation with an error of 4.16% for stress and 4. Based on the calculating results of the proposed GBM, this thesis introduces two design synthesis processes for the planar spring. In the 1st model of the planar spring, the design process is built via a combination of finite analysis method, response surface method, and multi-objective genetic optimization algorithm. The results of the 1st planar spring determined the optimal parameters, including a length of 40.725 mm, a thickness of 0.940 mm, and a width of 9.

The error between the predicted and the simulation is less than 0.