Xác định đặc trưng cơ tính của vật liệu siêu đàn hồi và tự động tính toán tay gắp mềm cho robot
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619
XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG CƠ TÍNH CỦA VẬT LIỆU SIÊU ĐÀN HỒI
VÀ TỰ ĐỘNG TÍNH TOÁN TAY GẮP MỀM CHO ROBOT
DETERMINATION OF HYPER-ELASTIC MATERIAL PARAMETERS AND AUTOMATIC COMPUTATION
FOR THE SOFT-ROBOTIC GRIPPER
Phùng Văn Bình1,*, Nguyễn Quốc Anh1, Nguyễn Trọng Hoàng1,
Trần Anh Vàng1, Đặng Hoàng Minh2
cứu trong nước và thế giới [1]. Các tay gắp (cứng) truyền
thống chủ yếu được sử dụng để kẹp những đối tượng có
độ cứng cao, ít biến dạng, có hình dạng tiêu chuẩn như vật
hình trụ, hình cầu, hình hộp chữ nhật,… và có kích thước
xác định. Khi cần kẹp, giữ các vật dễ vỡ, vật mềm, vật có
hình dáng kích thước không xác định thì việc sử dụng tay
gắp truyền thống trở lên không còn phù hợp. Để khắc phục
hạn chế này, những năm gần đây xuất hiện một xu thế mới
TÓM TẮT
Bài báo trình bày phương pháp xác định cơ tính vật liệu và tự động tính toán
kết cấu tay gắp mềm robot. Mô hình Yeoh được sử dụng để mô tả cơ tính của vật
liệu siêu đàn hồi silicon để chế tạo ngón tay mềm. Thông số của vật liệu được xác
định trên cơ sở thực nghiệm kéo các mẫu thử. Chương trình tính toán tự động đã
được xây dựng trên nền ngôn ngữ Python tích hợp với Abaqus/CAE để phân tích
kết cấu ngón tay mềm. Chương trình tính toán được xây dựng đã cho phép khảo
sát sự ảnh hưởng của các tham số hình học đến độ cong của tay gắp một cách
nhanh chóng và thuận lợi. Sự tương đồng giữa độ uốn ngón tay mềm thu được
đó là sử dụng các cấu hình tay gắp mềm để thay thế tay
gắp truyền thống [2]. Xét về phương pháp truyền động, tay
nhờ mô phỏng và thực nghiệm chứng tỏ tính đúng đắn của thông số vật liệu tìm
gắp mềm được chia thành các dạng chính là tay gắp dẫn
được và chương trình tính toán tự động. Kết quả nghiên cứu là tiền đề quan trọng
động bằng thủy lực và khí nén [3], tay gắp điều khiển bằng
cho việc tối ưu hóa thiết kế tay gắp mềm.
dây [4, 5], tay gắp mềm làm từ hợp kim nhớ hình được dẫn
Từ khóa: Tay gắp mềm robot, vật liệu siêu đàn hồi, tự động tính toán, Python
Script, Abaqus/CAE.
động bởi nhiệt [6], tay gắp mềm chế tạo từ vật liệu Polyme
áp điện [7], cơ cấu đàn hồi tự động tạo hình và lực khi
tương tác với vật [8].
ABSTRACT
Nhờ những ưu điểm như có tính linh hoạt cao, dễ chế
tạo và điều khiển tay gắp mềm dẫn động bằng khí nén đã
được quan tâm nghiên cứu và phát triển những năm gần
đây [9]. Một số cấu hình hình tay gắp mềm khác nhau đã
được phát triển dựa trên nguyên lý hoạt động của bạch
tuộc [10], tay người [11],... Phần lớn chúng được chế tạo bởi
các vật liệu siêu đàn hồi, gồm nhiều ngón tay, mỗi ngón tay
được cấu tạo bởi các khoang thông nhau và kết nối với hệ
thống khí nén. Điển hình là cấu hình tay gắp mềm mới
được phát triển ở Nhật Bản [12] với 3 hoặc 4 ngón tay được
chế tạo bằng vật liệu silicon. Cấu hình này đã đạt được
thành công bước đầu trong ứng dụng vào thực tế, cụ thể là
ứng dụng vào dây truyền đóng gói thực phẩm [13]. Hiệu
quả tích cực trong ứng dụng thực tế đã truyền cảm hứng
cho rất nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới trong việc hoàn
thiện phương pháp tính toán thiết kế, phương pháp chế
tạo và thực nghiệm [14], nhằm tối ưu hóa thiết kế các mẫu
tay gắp mềm khác nhau [15].
The article presents a method for the determination of hyper-elastic material
parameters and automatic structural computation of the soft-robotic gripper. The
Yeoh constitutive model is used to describe the mechanical properties of hyper-
elastic materials for fabricating soft fingers. Material properties are identified by
using tensile experiments of the work-pieces. The Python-Abaqus/CAE script for
automatic calculation of the soft-finger is developed. The proposed method allows
estimating the effect of geometric parameters on gripper curvature quickly and
smoothly. The similarity between soft finger bending angles obtained by
simulation and experiment demonstrates the correctness of the found material
parameters and the developed program. The research results play a meaningful
role in the optimization design of soft gripper.
Keywords: Soft-robotic gripper, hypere-lastic material, automatic
computation, Python Script, Abaqus/CAE.
1Khoa Hàng không vũ trụ, Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn
2Khoa Cơ khí, Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh
*Email: phungvanbinh@lqdtu.edu.vn
Ngày nhận bài: 11/3/2021
Tuy nhiên, với đặc trưng của vật liệu silicon siêu biến
dạng, quá trình tính toán, thiết kế tay gắp mềm thường gặp
phải những trở ngại không nhỏ. Một là cần phải xác định
mô hình vật liệu phù hợp và các thông số về cơ tính tương
ứng của vật liệu siêu đàn hồi. Đây là các thông số đầu vào
quan trọng cho quá trình tính toán mô phỏng tay gắp
mềm, tuy nhiên lại không được công bố rộng rãi. Điều này
Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 20/4/2021
Ngày chấp nhận đăng: 25/6/2021
1. GIỚI THIỆU
Tay gắp - một bộ phận quan trọng của robot để kẹp, giữ
các đối tượng là đối tượng thú vị thu hút nhiều nhà nghiên
96
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY
còn đặc biệt quan trọng đối với các nhà nghiên cứu trong liệu A và B được trộn đều theo tỉ lệ 1:1 theo hướng dẫn của
nước, khi mà kinh phí nghiên cứu hạn hẹp nên không thể nhà sản xuất và được đổ vào khuôn đúc, sau đó để khô và
tiếp cận được với các vật liệu silicon chính hãng ở nước lấy ra (hình 1). Để đảm bảo độ tin cậy của thực nghiệm,
ngoài có giá thành rất cao. Ngoài ra, cơ tính của vật liệu tương ứng với mỗi mã vật liệu có độ cứng khác nhau (theo
cũng bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như quy trình pha trộn phân loại của nhà sản xuât là 20A, 25A, 30A, 35A, 40A, 45A)
thực tế, nhiệt độ phòng thí nghiệm, thời gian và điều kiện sẽ chế tạo 10 mẫu thử.
bảo quản vật liệu,... Vì vậy, việc xác định cơ tính của vật liệu
trong điều kiện thí nghiệm thực tế là rất cần thiết. Vấn đề
thứ hai là, do sự phức tạp của kết cấu, quy trình tính toán
thiết kế ở hầu hết các công trình đã công bố thường thực
hiện theo kinh nghiệm, theo nguyên tắc thử - sai. Đầu tiên,
mô hình 3D tay gắp được xây dựng trên một phần mềm
CAD (ví dụ Solidwords, Inventor), tiếp theo mô hình được
chuyển sang phần mềm CAE chuyên dụng (như Ansys,
Abaqus) để tính toán phân tích kết cấu. Dựa vào kết quả
tính toán phân tích, mô hình CAD được điều chỉnh và quá
trình được lại cho đến khi có được phương án thiết kế đạt
yêu cầu. Quy trình thiết kế theo kiểu thử sai như vậy gây
tốn thời gian, công sức mà lại không thể tìm được phương
án thiết kế tối ưu.
Hình 1. Chế tạo mẫu thử từ các vật liệu khác nhau
Để khắc phục những tồn tại trên, bài báo tập trung giải
quyết hai vấn đề. Một là đưa ra quy trình xác định thông số
của vật liệu siêu đàn hồi được sử dụng để chế tạo tay gắp
mềm. Hai là đề phát triển chương tính toán tay gắp mềm
trên ngôn ngữ Python (chương trình tiền xử lý và hậu xử lý)
cho phép chỉnh sửa các tham số của mô hình, lặp lại quá
trình tính toán trên Abaqus/CAE và ghi lại các kết quả một
cách tự động [16]. Chương trình tính toán tự động đã loại
bỏ được các thao tác lặp đi lặp lại tẻ nhạt, cho phép khảo
sát nhiều phương án thiết kế khác nhau một cách nhanh
chóng và hiệu quả. Kết quả nghiên cứu là cơ sở để hoàn
thiện và tối ưu hóa thiết kế tay gắp mềm dẫn động bằng
khí nén, cũng như có thể áp dụng cho các cấu hình tay gắp
mềm khác.
Mẫu
thử
Kết
quả
Vị trí
kẹp
Hình 2. Thử nghiệm kéo mẫu thử
20A
Đường cong
trung bình
2.5
2
Các điểm
thực nghiệm
2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Phương pháp xác định thông số vật liệu siêu đàn hồi
1.5
1
Có nhiều mô hình tính toán vật liệu siêu biến dạng khác
nhau như mô hình Ogden, Mooney-Rivlin, Neo-Hookean,
Yeoh. Nhờ tiến hành mô phỏng và so sánh với thực nghiệm
công trình chỉ ra mô hình Yeoh là phù hợp để tính toán mô
phỏng tay gắp mềm [17]. Mật độ năng lượng biến dạng W
theo mô hình Yeoh được thể hiện bởi hệ thức thức [18]:
3
0.5
0
0.5
1
1.5
2.5
Strain (mm2)
a) Kết quả thử nghiệm
20A
W C .( 3)i
(1)
i
1
i1
ở đây, Ci là các hằng số vật liệu.
Thông số I1 là thành phần ten-xơ biến dạng thứ nhất và
được tính theo công thức:
2
2
2
I1 λ1 λ1 λ1
(2)
với λ1, λ2, λ3 là các hệ số tỉ lệ giãn chính của vật liệu.
Các hằng số Ci của mô hình vật liệu silicon sẽ được xác
định bằng phương pháp thực nghiệm. Vật liệu silicon được
mua từ nước ngoài. Các mẫu thử nghiệm của vật liệu silicon
được chế tạo bằng phương pháp đúc. Hai thành phần vật
b) Đường cong thử nghiệm và theo mô hình Yeoh
Hình 3. Đường cong ứng suất - biến dạng của vật liệu silicon độ cứng 20A
97
Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol. 57 - No. 3 (June 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619
Việc thử nghiệm được thực hiện trên thiết bị thử kéo HLB
Tay gắp mềm thường được chế tạo bằng phương pháp
(Handpi Instruments) cho đến khi các mẫu bị đứt (hình 2). đúc. Khuôn đúc được chế tạo nhờ công nghệ in 3D (hình
Với mỗi mã vật liệu, 10 mẫu thử đã được thử nghiệm. Kết 5a). Sau khi các ngón tay được chế tạo và kiểm tra, chúng
quả thử nghiệm thử kéo với các mẫu thử vật liệu 20A được được lắp ráp lại thành cụm tay gắp. Minh họa hình ảnh cụm
thể hiện trên đồ thị (hình 3a). Một đường cong thực nghiệm tay gắp mềm làm việc được thể hiện trên hình 5b. Chi tiết
trung bình đã được xây dựng từ dữ liệu thực nghiệm.
về các bước thiết kế, xây dựng mô hình tính toán và chế tạo
tay gắp mềm đã nhóm tác giả trình bày chi tiết trong các
công trình [19, 20].
Tiếp đó, dữ liệu của đường cong thực nghiệm trung
bình này sẽ được sử dụng để xác định các hệ số của mô
hình vật liệu Yeoh nhờ phần mềm Abaqus/CAE [2]. Kết quả
so sánh giữa đường cong ứng suất - biến dạng của vật liệu
theo mô hình Yeoh và đường cong thực nghiệm cho thấy
kết quả sai khác là không nhiều (hình 3b). Điều đó chứng tỏ
mô hình Yeoh là hoàn toàn phù hợp để mô tả loại vật liệu
silicon này. Quá trình được tiến hành cho 6 mã vật liệu khác
nhau, thu được bảng thông số của các mã vật liệu như thể
hiện trên bảng 1.
a)
b)
Bảng 1. Các hệ số mô tả vật liệu theo mô hình Yeoh đối với các mã vật liệu
khác nhau
Hình 5. Quá trình chế tạo, thử nghiệm tay gắp mềm
2.3. Phương pháp tự động hóa tính toán thiết kế ngón
tay mềm
Shore A
20A
C10
C20
C30
0,08596033
1,68E-02
-3,19E-04
Trong mục này, nhóm tác giả tập trung trình bày về
phương pháp tự động hóa tính toán ngón tay mềm. Quá
trình tính toán thiết kế trên các phần mềm FEM nói chung
và Abaqus nói riêng thường được phân ra thành ba giai
đoạn chính là tiền xử lý, xử lý và hậu xử lý (hình 6). Giai
đoạn tiền xử lý gồm các bước xây dựng mô hình hình học
và xây dựng mô hình tính toán phần tử hữu hạn. Giai đoạn
xử lý gồm bước thông dịch dữ liệu đầu vào và tính ra kết
quả. Giai đoạn hậu xử lý là quá trình truy cập, đọc, ghi, sắp
xếp và hiển thị kết quả.
25A
0,13924758
0,17969929
0,2163127
0,20618948
0,26854496
1,76E-02
2,77E-02
1,96E-02
2,01E-02
1,41E-02
-2,25E-04
-6,39E-04
4,73E-04
1,65E-03
5,80E-03
30A
35A
40A
45A
2.2. Phương pháp thiết kế, chế tạo tay gắp mềm
Kích thước của ngón tay mềm tương đương với một
ngón tay người trưởng thành. Ngón tay mềm được tạo lên
bởi nhiều khoang rỗng thông nhau và kết nối với hệ thống
khí nén (hình 4a,b). Cụm tay gắp thường được cấu tạo từ 3-
4 ngón tay mềm (hình 4c). Do sự phức tạp của kết cấu và
vật liệu, hoạt động của tay gắp mềm thường được mô
phỏng nhờ phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) trong môi
trường Abaqus/CAE hoặc Ansys. Độ cong được đặc trưng
bởi góc uốn α là thông số thường được sử dụng để đánh
giá khả năng làm việc của của ngón tay mềm (hình 4d).
Với kết cấu phức tạp được cấu tạo từ vật liệu siêu đàn
hồi như tay gắp mềm robot, theo cách tiếp cận truyền
thống, giai đoạn tiền xử lý thường sẽ chiếm phần lớn thời
gian vì phải chia thành hai bước riêng biệt được thực hiện ở
hai phần mềm khác nhau. Bước một là thực hiện mô hình
hóa tay gắp trên phần mềm CAD riêng biệt, sau đó chuyển
thành file trung gian và đưa vào phần mềm Abaqus. Bước
hai là xây dựng mô hình phần tử hữu hạn và thiết đặt mô
hình tính toán của tay gắp trên phần mềm Abaqus. Ngoài
ra, giai đoạn tiền xử lý và hậu xử lý thường thực hiện bằng
tay trên giao diện người dùng (graphical user interface GUI)
hoặc sử dụng một vài câu lệnh riêng biệt để hỗ trợ
(Command line interface-CLI). Với tốc độ trung bình của
một kỹ sư, thời gian thực hiện các bước tiền xử lý cho tay
gắp là khoảng 35 phút, thời gian tính toán trên
Abaqus/CAE là 20 phút (với máy tính cá nhân Core i7, RAM
8Gb) và thời gian hậu xử lý là khoảng 5 phút. Như vậy, tổng
thời gian thực hiện phân tích một phương án thiết kế là
khoảng 60 phút. Có thể thầy rằng, trong quá trình tính
toán, rất nhiều bước phải lặp đi lặp lại, gây tốn thời gian,
công sức. Vì vậy với cách tiếp cận truyền thống này không
thể khảo sát nhiều phương án thiết kế khác nhau, nhằm
tìm ra phương án thiết kế tối ưu cho tay gắp mềm.
84
9
5
8
t=1.4
1
2
h=10
d=4
a)
c)
Thân chính
Lớp giấy
Lớp nắp (trên và dưới)
b)
d)
Hình 4. Thiết kế, mô phỏng tay gắp mềm
a) Kích thước; b) Cấu tạo; c) Cụm tay gắp; d) Biến dạng của ngón tay gắp
Để rút ngắn thời gian thực hiện giai đoạn tiền xử lý và
hậu xử lý cho tay gắp, các chương trình tính tự động ở
98
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY
dạng Script file đã được thiết lập trên ngôn ngữ Python thể hiện trên hình 8. So sánh cho thấy, sai lệch giữa kết quả
2.7.3 và được tích hợp với bộ xử lý trên phần mềm mô phỏng và thực nghiệm là không nhiều, chứng tỏ tính
Abaqus/CAE, nhờ đó quá trình tính toán phân tích tay gắp đúng đắn của thông số vật liệu và chương trình tính toán.
đã được thực hiện hoàn toàn tự động. Ở giai đoạn tiền xử
Độ cứng
20A
25A
30A
lý, chương trình tính toán được thiết lập cho phép tham số
hóa mô hình của tay gắp và mô tả đầy đủ các đặc trưng của
mô hình FEM như dạng phần tử, kích, thông số vật liệu,
điều kiện biên, lực tác dụng và kiểu phân tích. Chương trình
tính toán cũng mô tả khoảng giá trị thay đổi của các thông
số hình học của tay gắp và cho phép cập nhật bộ thông số
mới để tự động tính toán một phương án thiết kế mới. Tiếp
theo, file Script sẽ được kết nối trực tiếp với hạt nhân tính
toán của Abaqus/CAE nhờ bộ thông dịch của Python để
thực hiện quá trình tính toán một cách tự động. Ở giai đoạn
hậu xử lý, file Script sẽ được lập trình để tự động đọc kết
quả, sắp xếp và ghi kết quả ra ở dạng bảng và dạng đồ thị.
Thực
nghiệm
α=100,23o
α=88,44o
α=65,54o
Mô
phỏng
α=98,39o
35A
α=87,38o
40A
α=67,43o
45A
File 3D
GUI
(Graphical
user interface)
CLI
(Command
line interface)
trung gian
(từ phần mềm
khác)
Mô
hình 3D
SCRIPT FILE
Độ cứng
Thực
nghiệm
TIỀN
XỬ LÝ
Mô hình
FEM
GUI
CLI
SCRIPT FILE
α=67,52o
α=64,45o
α=76,73o
α=74,68o
α=68,77o
α=67,59o
Trình thông dịch của PYTHON
XỬ LÝ
Mô
phỏng
Hạt nhân tính toán ABAQUS/CAE
HẬU
XỬ LÝ
Dữ liệu
đầu ra
GUI
CLI
SCRIPT FILE
Hình 7. So sánh biến dạng ngón tay mềm giữa mô phỏng và thực nghiệm ở
áp suất 20kPa
Hình 6. Sơ đồ tính toán
Theo cách tiếp cận mới này, quá trình tính toán được
diễn ra một cách liên tục, không gián đoạn và hoàn toàn tự
động. Hơn thế nữa, thời gian tiền xử lý và hậu xử lý đã được
rút ngắn hoàn toàn, vì vậy tổng thời gian tính toán mô
phỏng cho một phương án thiết kế đã rút ngắn chỉ còn
khoảng 20 phút (xấp xỉ bằng thời gian của quá trình xử lý).
Đồng thời kết quả tính toán cũng được tự động tổng hợp,
sắp xếp ở dạng bảng và đồ thị, giúp quá trình đánh giá,
phân tích cũng trở lên dễ dàng hơn. Các kết quả tính toán
cho tay gắp sử dụng chương trình tính toán tự động sẽ
được trình bày ở các mục tiếp theo của bài báo.
20A
120
100
80
60
40
20
0
0
5
10
15
20
25
30
Áp suất, kPa
Experiment
Yeoh
3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ THẢO LUẬN
25A
3.1. So sánh kết quả mô phỏng với thực nghiệm
120
100
80
60
40
20
0
Dựa trên cơ sở chương trình tính toán tự động được
thiết lập, việc mô phỏng đã được thực hiện với các ngón
tay mềm tương ứng với 6 mã vật liệu khác nhau đã tìm ra ở
bảng 1. Song song với đó, 6 mẫu ngón tay mềm tương ứng
với các mã vật liệu này cũng được chế tạo thực nghiệm. Kết
quả so sánh giữa thực nghiệm và mô phỏng ở áp suất
20kPa được thể hiện trên hình 7. Mối liên hệ giữa góc uốn
vào áp suất thu được bằng thực nghiệm và mô phỏng được
0
5
10
15
20
25
30
35
Áp suất, kPa
Experiment
Yeoh
99
Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol. 57 - No. 3 (June 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619
30A
cũng được tăng lên đáng kể. Nguyên nhân là khi tăng độ
rộng b, thành khoang dễ bị biến dạng cong hơn dưới tác
dụng của áp suất, điều này dẫn đến sự tương tác đẩy nhau
giữa các khoang cũng xảy ra rõ rệt hơn.
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Phân tích tay gắp với độ rộng khoang h trong khoảng 7
- 11mm (hình 9b) cho thấy chiều cao khoang và góc uốn
cũng tỷ lệ thuận với nhau. Nguyên nhân là khi tăng chiều
cao h, thành khoang dễ bị biến dạng hơn khi có áp suất,
dấn đến sự tương tác đẩy nhau giữa các khoang cũng được
diễn ra rõ rệt hơn.
0
5
10
15
20
25
30
35
Áp suất, kPa
Experiment Yeoh
35A
Phân tích biến dạng của tay gắp khi độ dày thành
khoang t (mm) thay đổi trong khoảng 0,8 - 2,2mm cho thấy
rằng khi độ dày thành t tăng thì biến dạng và độ cong của
tay gắp giảm đi do tay gắp có xu hướng cứng hơn (hình 9c).
Do đó để cải thiện góc uốn của tay gắp khi đó độ dày thành
khoang (t) cần càng nhỏ càng tốt.
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Thay đổi độ dày tấm đáy d trong khoảng 2 - 4mm cho
thấy, khi d tăng thì biến dạng và độ cong của tay gắp giảm
đi (hình 9d). Điều này cũng phù hợp với lý thuyết vì việc
tăng d đã dẫn đến tăng khả năng chống uốn của lớp vật
liệu chịu nén. Do đó để cải thiện góc uốn của tay gắp thì độ
dày tấm đáy d cần lựa chọn nhỏ nhất có thể theo khả năng
chế tạo.
0
5
10
15
20
25
30
35
Áp suất, kPa
Experiment Yeoh
40A
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
5
10
15
20
25
30
35
Áp suất, kPa
Experiment Yeoh
45A
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Độ rộng khoang b, mm
a)
0
5
10
15
20
25
30
35
Áp suất, kPa
Experiment Yeoh
Hình 8. Mối liên hệ giữa góc uốn ngón tay mềm và áp suất theo mô phỏng
và thực nghiệm
Chiều cao khoang h, mm
b)
3.2. Phân tích sự phụ thuộc của góc uốn theo các thông
số khác nhau
Trong mục này, dựa vào chương trình tính toán tự động
cho tay gắp đã được xây dựng, sự phụ thuộc của độ cong
tay gắp vào một số tham số kích thước cơ bản ở cùng áp
suất (độ cứng vật liệu 25A, áp suất P = 20kPa) sẽ được phân
tích, làm rõ. Các kích thước cơ bản được khảo sát là độ rộng
khoang b, chiều cao khoang h, chiều dày thành khoang t và
độ dày đáy d (hình 4).
Phân tích tay gắp với độ rộng khoang b trong khoảng
10 - 30mm (hình 9a) cho thấy độ rộng khoang và góc uốn
tỷ lệ thuận với nhau. Khi độ rộng khoang tăng, góc uốn
Độ dày thành khoang t, mm
c)
100
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY
[5]. E. Coevoet et al., 2017. Software toolkit for modeling, simulation, and
control of soft robots. Adv. Robot., vol. 31, no. 22, pp. 1208–1224, doi:
10.1080/01691864.2017.1395362.
[6]. Y. Haibin, K. Cheng, L. Junfeng, Y. Guilin, 2018. Modeling of grasping
force for a soft robotic gripper with variable stiffness. Mech. Mach. Theory, vol.
128, doi: 10.1016/j.mechmachtheory.2018.05.005.
[7]. J. Shintake, S. Rosset, B. Schubert, D. Floreano, H. Shea, 2016. Versatile
Soft Grippers with Intrinsic Electroadhesion Based on Multifunctional Polymer
Actuators. Adv. Mater., vol. 28, no. 2, doi: 10.1002/adma.201504264.
Độ dày tấm đệm d, mm
d)
[8]. J. Hughes, U. Culha, F. Giardina, F. Guenther, A. Rosendo, F. Iida, 2016.
Soft manipulators and grippers: A review. Front. Robot. AI, vol. 3, no. NOV, pp. 1–
12, doi: 10.3389/frobt.2016.00069.
Hình 9. Khảo sát ảnh hưởng của các tham số hình học tới góc uốn tay gắp
4. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ
[9]. W. Huang, J. Xiao, Z. Xu, 2020. A variable structure pneumatic soft robot.
Trong bài báo này, phương pháp xác định cơ tính của
vật liệu siêu đàn đồi và phân tích kết cấu tay gắp mềm cho
robot được trình bày. Các bộ thông số của mô hình vật liệu
theo lý thuyết Yeoh đã được tìm ra bằng phương pháp thực
nghiệm cho 6 mác vật liệu silicon có độ cứng khác nhau.
Trên cơ sở đó, biến dạng của các ngón tay mềm đã được
tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn nhờ phần
mềm Abaqus/CAE. Tiếp đó, các mẫu ngón tay mềm đã
được chế tạo bằng phương pháp đúc tương ứng với các
mác vật liệu khác nhau và tiến hành thực nghiệm đo độ
uốn dưới tác dụng của áp suất khí nén. Sự trùng khớp của
kết quả thực nghiệm và mô phỏng đã chứng tỏ các bộ
thông số của vật liệu silicon theo mô hình Yeoh được tìm ra
là đúng đắn. Vì vậy, các bộ thông số vật liệu tìm được này
không chỉ có thể sử dụng để mô phỏng ngón tay mềm mà
có thể sử dụng khi tính toán thiết kế các cơ cấu chấp hành
mềm khác.
Sci. Rep., vol. 10, no. 1, pp. 1–15, doi: 10.1038/s41598-020-75346-5.
[10]. C. Laschi, M. Cianchetti, B. Mazzolai, L. Margheri, M. Follador, P. Dario,
2012. Soft robot arm inspired by the octopus. Adv. Robot., vol. 26, no. 7, pp. 709–
727, doi: 10.1163/156855312X626343.
[11]. H. Zhang, Y. Wang, M. Y. Wang, J. Y. H. Fuh, A. S. Kumar, 2017. Design
and Analysis of Soft Grippers for Hand Rehabilitation. 12th Manufacturing Science
and Engineering Conference (MSEC2017), doi: 10.1115/msec2017-2814.
[12]. Z. Wang, S. Hirai, 2017. Soft Gripper Dynamics Using a Line-Segment
Model With an Optimization-Based Parameter Identification Method. IEEE Robot.
Autom. Lett., vol. 2, no. 2, pp. 624–631, doi: 10.1109/LRA.2017.2650149.
[13]. Z. Wang, Y. Torigoe, S. Hirai, 2017. A Prestressed Soft Gripper: Design,
Modeling, Fabrication, and Tests for Food Handling. IEEE Robot. Autom. Lett., vol.
2, no. 4, pp. 1909–1916, doi: 10.1109/LRA.2017.2714141.
[14]. H. K. Yap, H. Y. Ng, C. H. Yeow, 2016. High-Force Soft Printable
Pneumatics for Soft Robotic Applications. Soft Robot., vol. 3, no. 3, pp. 144–158,
doi: 10.1089/soro.2016.0030.
[15]. H. Zhang, A. S. Kumar, J. Y. H. Fuh, M. Y. Wang, 2018. Design and
Development of a Topology-Optimized Three-Dimensional Printed Soft Gripper. Soft
Robot., vol. 5, no. 5, pp. 650–661, doi: 10.1089/soro.2017.0058.
[16]. G. Yi, Y. Sui, J. Du, 2011. Application of python-based Abaqus preprocess
and postprocess technique in analysis of gearbox vibration and noise reduction.
Front. Mech. Eng., vol. 6, no. 2, pp. 229–234, doi: 10.1007/s11465-011-0128-z.
[17]. P. Polygerinos et al., 2013. Towards a soft pneumatic glove for hand
rehabilitation. IEEE Int. Conf. Intell. Robot. Syst., pp. 1512–1517, doi:
10.1109/IROS.2013.6696549.
Để nâng cao hiệu quả mô phỏng, một chương tính toán
tự động cho tay gắp mềm đã được xây dựng trên nền ngôn
ngữ Python tích hợp với Abaqus/CAE. Chương trình tính
toán được xây dựng đã tự động hóa được quá trình tiền xử
lý và hậu xử lý, giúp loại bỏ các thao tác bằng tay lặp đi lặp
lại và tăng đáng kể tốc độ tính toán. Nhờ vậy, nhiều
phương án thiết kế khác nhau của tay gắp mềm đã được
khảo sát một cách thuận lợi. Kết quả nghiên cứu là cơ sở để
lựa chọn phương án thiết kế tối ưu cho tay gắp mềm.
[18]. O. H. Yeoh, 1993. Some forms of the strain energy function for rubber.
Rubber Chemistry and Technology, vol. 66, no. 5. pp. 754–771, doi:
10.5254/1.3538343.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Z. Samadikhoshkho, K. Zareinia, F. Janabi-Sharifi, 2019. A Brief Review
on Robotic Grippers Classifications. 2019 IEEE Can. Conf. Electr. Comput. Eng.
CCECE 2019, pp. 1–4, doi: 10.1109/CCECE.2019.8861780.
[19]. N. V. T. Vang Tran Anh, Van Binh Phung, 2019. Design, Simulation and
Fabrication of a Soft Robotic Gripper for Grasping the Objects with an Arbitrary
Shape. 5th Vietnam Int. Conf. Exhib. - VCCA, pp. 1–7.
[2]. D. Rus, M. T. Tolley, 2015. Design, fabrication and control of soft robots.
Nature, vol. 521, no. 7553, pp. 467–475, doi: 10.1038/nature14543.
[20]. H. M. Dang, C. T. Vo, N. T. Trong, V. D. Nguyen, V. B. Phung, 2021.
Design and development of the soft robotic gripper used for the food packaging
system. J. Mech. Eng. Res. Dev., vol. 44, no. 3, pp. 334–345.
[3]. T. Rehman, A. A. M. Faudzi, D. E. O. Dewi, M. S. M. Ali, 2017. Finite
element analysis for PDMS based dual chamber bellows structured pneumatic
actuator. Commun. Comput. Inf. Sci., vol. 751, pp. 392–402, doi: 10.1007/978-
981-10-6463-0_34.
[4]. J. R. Bemfica, C. Melchiorri, L. Moriello, G. Palli, U. Scarcia, 2014. A three-
fingered cable-driven gripper for underwater applications. 2014 IEEE International
Conference on Robotics and Automation (ICRA), doi:
10.1109/ICRA.2014.6907203.
AUTHORS INFORMATION
PhungVan Binh1, Nguyen Quoc Anh1, Nguyen Trong Hoang1,
Tran Anh Vang1, Dang Hoang Minh2
1Faculty of Aerospace Engineering, Le Quy Don Technical University
2Faculty of Mechanical Engineering, Industrial University of Ho Chi Minh City
101
Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol. 57 - No. 3 (June 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY
6 trang
20/04/2022
1680
Bạn đang xem tài liệu "Xác định đặc trưng cơ tính của vật liệu siêu đàn hồi và tự động tính toán tay gắp mềm cho robot", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- xac_dinh_dac_trung_co_tinh_cua_vat_lieu_sieu_dan_hoi_va_tu_d.pdf
