Phát triển, thiết kế và tối ưu hóa khớp xoay cho thiết bị hỗ trợ vận động chi trên sử dụng cơ cấu mềm

Phát triển, thiết kế và tối ưu hóa khớp xoay cho thiết bị hỗ trợ vận động chi trên sử dụng cơ cấu mềm Phát triển, thiết kế và tối ưu hóa khớp xoay cho thiết bị hỗ trợ vận động chi trên sử dụng cơ cấu mềm Phát triển, thiết kế và tối ưu hóa khớp xoay cho thiết bị hỗ trợ vận động chi trên sử dụng cơ cấu mềm

TỔNG QUAN

Đặt vấn đề

Hàng năm, hàng triệu người trên thế giới bị đột quỵ, với độ tuổi ngày càng trẻ, và khoảng 50% trong số đó không sống sót Những người sống sót thường gặp phải hạn chế khả năng vận động, đặc biệt là ở chi trên, khiến họ phụ thuộc nhiều vào người chăm sóc trong các hoạt động hàng ngày Sự phụ thuộc này không chỉ tạo gánh nặng cho gia đình mà còn cho xã hội Để giảm thiểu tình trạng này, bệnh nhân thường phải sử dụng các thiết bị hỗ trợ vận động cho chi trên.

Hiện nay, thiết bị hỗ trợ chi trên được chia thành hai loại: thiết bị chủ động và thiết bị bị động Thiết bị chủ động mang lại nhiều tiện lợi nhưng cũng có nhược điểm như cần nguồn năng lượng, tạo tiếng ồn, điều khiển phức tạp và giá thành cao Ngược lại, thiết bị bị động có cấu trúc đơn giản, giá thành rẻ, mặc dù khả năng đáp ứng với hoạt động của bệnh nhân thấp Các thiết bị hỗ trợ vận động chi trên bị động thường có cấu tạo tương tự nhau, bao gồm các khâu liên kết qua khớp bản lề, giúp thực hiện chuyển động xoay cho chi trên Ngoài ra, thiết bị còn sử dụng các chi tiết đàn hồi hoặc đối trọng để cân bằng trọng lượng, tuy nhiên, việc sử dụng đối trọng có thể phát sinh lực quán tính gây nguy hiểm cho bệnh nhân Khi bệnh nhân cần di chuyển vật có khối lượng khác nhau, việc điều chỉnh khối lượng đối trọng hoặc chiều dài cánh tay đòn là cần thiết, điều này có thể gây khó khăn cho họ.

Trong quá trình vận động, chi trên thường gặp khó khăn do phạm vi hoạt động hạn chế và lực cơ bắp không đủ để thay đổi khối lượng đối trọng Khi sử dụng thiết bị với chi tiết đàn hồi như sợi thun hoặc lò xo, lực quán tính sẽ bị loại bỏ, nhưng việc duy trì cân bằng khi khối lượng vật nâng thay đổi là một thách thức lớn cho bệnh nhân Do đó, nghiên cứu sinh đã chọn đề tài “Phát triển và tối ưu hóa cơ cấu cân bằng trọng lực sử dụng cơ cấu mềm cho thiết bị hỗ trợ vận động chi trên” Cơ cấu cân bằng phát triển kết hợp giữa khớp xoay mềm và lò xo phẳng mềm, cho phép tạo ra phạm vi cân bằng rộng hơn và dễ dàng điều chỉnh độ cứng của lò xo.

Hình 1.1: Thiết bị hỗ trợ chi trên a) JAECO Wrex Supports, b) Mobility Arm

Khớp xoay mềm trong cơ cấu cân bằng trọng lực có ba nhiệm vụ chính: thực hiện chuyển động xoay, tích trữ thế năng để cân bằng với khối lượng, và hấp thu chấn động nhằm đảm bảo an toàn cho bệnh nhân Tuy nhiên, do hoạt động theo nguyên lý biến dạng đàn hồi, khi cần xoay một góc lớn, khớp có thể gặp phải ứng suất lớn, dẫn đến nguy cơ không đảm bảo độ bền Hơn nữa, các thiết bị hỗ trợ vận động mà bệnh nhân sử dụng cần có không gian làm việc rộng rãi.

Khớp xoay mềm trong thiết bị cần có những đặc điểm quan trọng như góc xoay lớn, trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ gọn và độ bền cao khi hoạt động Để đáp ứng các yêu cầu này, việc phát triển và tối ưu hóa khớp xoay mềm là vô cùng cần thiết.

Các nghiên cứu liên quan

Nghiên cứu ứng dụng cơ cấu mềm cho thiết bị hỗ trợ vận động đang thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước Nhóm H-T Pham đã phát triển khớp đàn hồi cho chân giả, trong khi T-P Dao nghiên cứu khớp xoay mềm cho thiết bị hỗ trợ chi trên Các ứng dụng khác bao gồm khớp biến dạng đàn hồi cho khớp mắt cá chân và khớp xoay mềm với đặc tính góc xoay lớn, độ cứng thấp do Ezekiel G Merriam và cộng sự phát triển C Tatsch cùng nhóm đã phát triển khớp xoay mềm cho robot hình người, đảm bảo an toàn trong tương tác giữa người và robot với chi phí chế tạo thấp Rahim Mutlu thiết kế khớp xoay mềm cho ngón tay giả, trong khi Dongwoo Kanga và Daegab Gweon nghiên cứu khớp mềm cartwheel 6 bậc tự do Cuối cùng, B T Knox và J P Schmiedeler đã thiết kế khớp xoay mềm cho robot KURMET.

Hình 1.2: Khớp xoay mềm sử dụng cho chân giả

Hình 1.3: Khớp xoay mềm sử dụng cho thiết bị hỗ trợ vận động chi trên

Đối tượng và mục đích nghiên cứu

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là khớp xoay sử dụng các lò xo lá, đầu tiên khớp mềm được thiết kế, kế tiếp dựa trên ứng dụng của khớp xoay sử dụng cho thiết bị hổ trợ vận động chi trên, tác giả sẽ phân tích các đặc tính của khớp xoay, hàm mục tiêu được xây dựng, kế đến giải thuật tối ưu được phát triển để tối ưu thông số hình học của khớp xoay, cuối cùng kết quả tối ưu được sử dụng để xây dựng mô hình 3D để thực FEA và kiểm chứng với kết quả tối ưu

Thiết kế khớp xoay cho thiết bị hỗ trợ vận động chi trên nhằm phân tích đặc tính và tối ưu hóa các thông số hình học của khớp, giúp cải thiện hiệu quả sử dụng và tăng cường khả năng vận động cho người dùng.

PHÁT TRIỂN KHỚP XOAY MỀM

Yêu cầu thiết kế

Cơ cấu cân bằng trọng lực phát triển kết hợp khớp xoay mềm và lò xo phẳng mềm, với tổng mô men biến dạng của chúng phải bằng tổng mô men do khối lượng cẳng tay, vật cần di chuyển và khâu liên kết tạo ra Để đảm bảo hiệu suất làm việc của cơ cấu này, khớp xoay mềm cần đáp ứng các điều kiện làm việc cụ thể.

Mô men tác dụng 1000 Nmm

Góc xoay làm việc từ 50 o đến 60 o

Kích thước lớn nhất không vượt quá 100 mm

Khối lượng càng nhỏ càng tốt

Vật liệu AL7075 được lựa chọn cho khớp xoay mềm vì có khối lượng riêng nhỏ Đặc tính của vật liệu được cho trong bảng 2.1

Bảng 2.1: Đặc tính của vật liệu

Khối lực riêng Giới hạn bền Mô đun đàn hồi Hệ số Poison

Thiết kế khớp xoay mềm

Theo A.A.D Brown [15], lò xo xoắn phẳng được cố định ở đầu ngoài và gắn với trục xoay ở đầu trong Góc xoay và ứng suất sinh ra có thể được tính toán bằng công thức (2.1) và (2.2).

Trong đó: M là mô men tác dụng, E là mô đun đàn hồi của vật liệu, t là chiều dày, L là chiều dài và b chiều rộng của lò xo xoắn phẳng

Khớp xoay mềm là sự kết hợp của các lò xo xoắn phẳng hoạt động theo nguyên lý biến dạng đàn hồi, cho phép tâm quay dịch chuyển trong quá trình làm việc Để giảm độ lệch tâm quay, khớp xoay mềm được thiết kế với ba lò xo xoắn phẳng Để tạo ra góc xoay lớn, cần giảm chiều dày t, nhưng nếu t quá nhỏ sẽ gây khó khăn trong gia công và tăng ứng suất, do đó t chỉ có thể giảm đến một giá trị nhất định Ngoài việc giảm chiều dày t, có thể tăng chiều dài L để cải thiện góc xoay, tuy nhiên chiều dài L phụ thuộc vào không gian thiết kế Giải pháp đề xuất để tăng chiều dài L là tạo ra các đường cong xoắn, và giảm bề rộng b cũng là một phương án để tăng góc xoay Những phân tích này dẫn đến thiết kế khớp xoay mềm như trình bày trong hình 2.1.

Bài toán tối ưu

Thiết bị hỗ trợ vận động cho chi trên cần có không gian hoạt động lớn, giúp bệnh nhân thực hiện các hoạt động hàng ngày một cách dễ dàng và hiệu quả.

Khớp xoay mềm cần đáp ứng nhiều yêu cầu như không phụ thuộc vào người chăm sóc trong 9 ngày, có kích thước nhỏ gọn và nhẹ để bệnh nhân dễ dàng mang theo, đảm bảo an toàn giao tiếp giữa người và thiết bị, cùng với hệ số an toàn cao Để đạt được điều này, khớp xoay phải có khối lượng và kích thước nhỏ, góc xoay lớn, và ứng suất sinh ra trong quá trình hoạt động phải nhỏ hơn mức cho phép Các thông số quan trọng ảnh hưởng đến những đặc tính này bao gồm kích thước không gian D, chiều dày t, và bề rộng b, tuy nhiên, chúng có sự mâu thuẫn lẫn nhau Do đó, việc tối ưu hóa hình dạng của khớp xoay mềm là cần thiết để cân bằng giữa các mục tiêu Trước khi tiến hành tối ưu, cần xác định các biến thiết kế, trong đó chiều dày t và kích thước không gian D là hai thông số hình học quan trọng nhất ảnh hưởng đến khối lượng, góc xoay và ứng suất.

Hai thông số D và t được chọn làm biến thiết kế chính, trong khi chiều rộng b không được chọn do ảnh hưởng hạn chế và chỉ ở mức bậc 1 Kích thước D không chỉ ảnh hưởng đến các đặc tính của khớp xoay mềm mà còn phải đảm bảo tính nhỏ gọn, do đó được giới hạn trong khoảng 52 mm đến 56 mm Chiều dày t cũng ảnh hưởng đến các đặc tính của khớp xoay, nhưng còn bị ràng buộc bởi công nghệ gia công, vì vậy được giới hạn trong khoảng 0.8 mm đến 1.2 mm.

Để đáp ứng yêu cầu làm việc của cơ cấu cân bằng trọng lực cho thiết bị hỗ trợ vận động chi trên, việc tối ưu hóa hai mục tiêu là rất quan trọng.

Xác định kích thước không gian thiết kế và chiều dày của các lò xo xoắn phẳng: D và t: X = [D, t] T

Khối lượng của khớp xoay mềm là nhỏ nhất: minf 1( X ) (2.3)

Góc xoay của khớp phải lớn nhất để bệnh nhân có thể hoạt động chi trên trong một phạm vi lớn: maxf 2( X) (2.4)

52 mm ≤ D ≤ 56 mm, (2.7) f 3( X ) ≤ 335 MPa, (2.8) trong đó f 1 là khối lượng, f 2 là góc xoay và f 3 là ứng suất của khớp xoay mềm

Đề xuất giải thuật tối ưu

Khớp xoay mềm trong cơ cấu cân bằng trọng lực cần đáp ứng các yêu cầu quan trọng như khối lượng nhỏ, góc xoay lớn và ứng suất sinh ra phải thấp hơn ứng suất cho phép Tuy nhiên, các đặc tính này thường mâu thuẫn với nhau Do đó, việc tối ưu hóa đa mục tiêu cho khớp xoay mềm là cần thiết để đạt được sự cân bằng giữa các yêu cầu này.

Khớp xoay mềm được thiết kế dựa trên nguyên lý của cơ cấu mềm, thuộc lĩnh vực phi truyền thống Để tối ưu hóa khớp xoay mềm, phương pháp tối ưu dựa trên mô hình thay thế được áp dụng, bắt đầu từ việc xây dựng thực nghiệm Trong nghiên cứu này, phương pháp Taguchi được sử dụng để thiết lập thực nghiệm, sau đó thực hiện phân tích phần tử hữu hạn nhằm thu thập dữ liệu Từ dữ liệu thu được, mức độ ảnh hưởng của các biến thiết kế đến đáp ứng đầu ra được xác định thông qua phương pháp Taguchi, đồng thời mô hình toán học cho các đáp ứng đầu ra cũng được xây dựng bằng phương pháp đáp ứng bề mặt.

Trước khi tiến hành tối ưu hóa, trọng số của các hàm mục tiêu được xác định dựa vào tỷ số tín hiệu và nhiễu (S/N) Sau đó, các thuật toán tối ưu bầy đàn và tiến hóa vi phân được áp dụng để tìm kiếm các ứng viên tiềm năng Để đảm bảo kết quả tối ưu, phương pháp thống kê phi thống số Wilcoxon và Friedman được sử dụng để đánh giá hiệu suất của các thuật toán Cuối cùng, kết quả tối ưu sẽ được kiểm định nhằm xác định độ tin cậy của thuật toán phát triển Quá trình tối ưu hóa cho khớp xoay mềm được thể hiện trong sơ đồ hình 2.2.

Bước 1 Xác định vấn đề tối ưu

Dựa trên đặc tính và yêu cầu làm việc của đối tượng phát triển, một thiết kế sơ bộ được xây dựng Tiếp theo, các phân tích ban đầu được tiến hành nhằm xác định những vấn đề cần tối ưu hóa.

Bước 2: Xác định hàm mục tiêu, biến thiết kế và các ràng buộc

Sau khi xác định vấn đề cần tối ưu, các hàm mục tiêu sẽ được lựa chọn cho quá trình tối ưu hóa Tiếp theo, một phân tích sẽ được thực hiện để đánh giá các yếu tố ảnh hưởng lớn đến đặc tính của khớp xoay mềm, từ đó lựa chọn biến thiết kế phù hợp Đồng thời, dựa trên yêu cầu làm việc của khớp xoay mềm và khả năng công nghệ hiện có, các ràng buộc cần thiết cho hàm mục tiêu và biến thiết kế sẽ được đưa ra.

Bước 3: Thiết kế mô hình khớp xoay mềm, phân tích phần tử hữu hạn để sưu tập dữ liệu:

Sau khi xác định biến thiết kế và các ràng buộc liên quan, thực nghiệm số sẽ được xây dựng dựa trên bảng trực giao Bảng trực giao giúp giảm số lượng thực nghiệm cần thực hiện, đồng thời đảm bảo đánh giá đầy đủ tác động của các biến thiết kế đến đặc tính đầu ra.

Bước 4: Tính toán trọng số

Các đặc tính mong muốn của khớp xoay mềm thường mâu thuẫn nhau, khiến người thiết kế phải cân bằng các mục tiêu khác nhau Điều này đảm bảo rằng khớp xoay mềm có thể hoạt động hiệu quả trong các điều kiện làm việc thực tế Thông thường, người thiết kế sẽ ưu tiên lựa chọn trọng số cho các yếu tố quan trọng nhất để đạt được hiệu suất tối ưu.

Việc xác định trọng số cho từng đặc tính dựa trên kinh nghiệm hoặc yêu cầu của khách hàng là cần thiết, nhưng kinh nghiệm không phải lúc nào cũng chính xác Nếu trọng số không được chọn đúng cách, kết quả tối ưu có thể đề xuất những ứng viên không phù hợp Hiện nay, có nhiều phương pháp tính trọng số khác nhau, trong đó S-C Huang và T-P Dao đã kết hợp mối quan hệ xám với đo lường entropy để tính toán trọng số một cách hiệu quả.

[18], G Zheng và các đồng sự tính trọng số bằng cách sử dụng tổng số điểm của các hàm mục tiêu [19]

Nghiên cứu này đề xuất một phương pháp tính trọng số mới dựa trên độ nhạy của các đáp ứng và ảnh hưởng của các biến thiết kế Một bước quan trọng trong phương pháp này là chuẩn hóa dữ liệu về giá trị trong phạm vi [0, 1] để đảm bảo tính đồng nhất Để thực hiện chuẩn hóa, tỷ số giữa tín hiệu và tín hiệu nhiễu cần được tính toán, điều này phụ thuộc vào yêu cầu của hàm mục tiêu Trong nghiên cứu, các hàm mục tiêu của khớp xoay mềm được phân loại thành hai dạng yêu cầu: lớn hơn sẽ tốt hơn và nhỏ hơn sẽ tốt hơn.

Khi hàm mục tiêu yêu cầu càng lớn càng tốt thì giá trị tỷ số giữa tín hiệu và tín hiệu nhiễu được tính bằng công thức sau: ij 2

Khi hàm mục tiêu yêu cầu càng nhỏ càng tốt thì tỷ số giữa tín hiệu và tín hiệu nhiễu được tính theo công thức:

Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng công thức (2.10) để xác định giá trị của hàm mục tiêu j trong thực nghiệm thứ i, với n là số lần lặp lại của thực nghiệm đó và ij là tỷ số giữa tín hiệu và nhiễu.

Việc chuẩn hóa tỷ số giữa tín hiệu và nhiễu của các hàm tiêu là cần thiết để khắc phục ảnh hưởng từ sự khác biệt về đơn vị của các hàm mục tiêu Tỷ số này được tính toán theo công thức: min max min ij ij ij ij ij z  .

 (2.11) trong đó, z ij là giá trị chuẩn hóa của thực nghiệm thứ i của hàm mục tiêu j

Giá trị trung bình chuẩn hóa của tỷ số giữa tín hiệu và tín hiệu nhiễu được tính theo công thức:

Giá trị trung bình chuẩn hóa của tỷ số giữa tín hiệu và tín hiệu nhiễu ở mức thứ L của biến thiết kế thứ k của hàm mục tiêu thứ j được ký hiệu là a Lki Trong đó, m Lkj là số thực nghiệm của biến thiết kế thứ k, còn z Lki là giá trị chuẩn hóa của tỷ số giữa tín hiệu và tín hiệu nhiễu của biến thứ k ở mức thứ L.

Giá trị xếp hạng cho từng biến thiết kế của hàm mục tiêu được tính bằng công thức: \( r_{kj} = \frac{L_{kj}^{max} - L_{kj}^{min}}{L_{kj}^{max}} \), trong đó \( r_{kj} \) là giá trị thứ hạng chuẩn hóa của tỷ lệ giữa tín hiệu và nhiễu của biến thiết kế k trong hàm mục tiêu j.

Trọng số của mỗi hàm mục tiêu được tính bằng công thức:

 (2.14) trong đó p là số biến, q là số hàm mục tiêu

Mô hình toán học của khớp xoay được phát triển dựa trên phương pháp đáp ứng bề mặt, kết hợp với tính trọng số Mối quan hệ giữa các biến thiết kế và các hàm mục là yếu tố quan trọng trong việc xây dựng mô hình này.

Mô hình toán học được xây dựng dựa trên phương trình bậc hai đầy đủ, vì các tiêu gần như không tuyến tính Phương trình này có dạng như sau:

      (2.15) trong đó  0 hằng số hồi qui,  i hệ số bậc 1,  ii hệ số bậc 2, x là các biến thiết kế,  sai số

Đánh giá độ nhạy của biến thiết kế

Để tối ưu hóa các đặc tính của khớp xoay mềm cho thiết bị hỗ trợ vận động chi trên, phương pháp Taguchi được áp dụng để xây dựng thực nghiệm Hai biến thiết kế D và t được phân chia thành 3 mức khác nhau, như thể hiện trong bảng 2.2 Ma trận thực nghiệm được tạo ra dựa trên bảng trực giao L9 Tiếp theo, 9 mô hình 3D của khớp xoay mềm được thiết kế bằng phần mềm Inventor Cuối cùng, quá trình thực nghiệm số để thu thập dữ liệu được thực hiện thông qua phân tích phần tử hữu hạn trong phần mềm ANSYS.

Bảng 2.2: Giá trị của biến thiết kế

Biến thiết kế Mức 1 Mức 2 Mức 3

Mô hình được chia lưới và áp dụng điều kiện biên như hình 2.3 Phương pháp chia lưới sizing với kích thước phần tử lưới 0.3 mm đã được chọn, cho kết quả thống kê mô hình với tổng số phần tử là 720.074 và tổng số node là 1.243.588.

Chất lượng lưới ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của kết quả phân tích phần tử hữu hạn, vì vậy tiêu chuẩn Skewness được áp dụng để đánh giá Theo thống kê, giá trị trung bình của tiêu chuẩn Skewness là 0.35, cho thấy mô hình chia lưới đạt độ chính xác và hội tụ tốt.

Kết quả phân tích phần tử hữu hạn cho khớp xoay mềm được trình bày trong bảng 2.3 Dựa trên kết quả này, phương pháp đáp ứng bề mặt được áp dụng để xây dựng mô hình toán học mô tả mối quan hệ giữa các biến thiết kế với khối lượng, góc xoay và ứng suất Mức độ ảnh hưởng của các biến thiết kế đến khối lượng, góc xoay và ứng suất được xác định thông qua phân tích phương sai, như thể hiện trong bảng 2.4, 2.5 và 2.6 Ngoài ra, độ nhạy của các biến thiết kế đối với khối lượng, góc xoay và ứng suất cũng được phân tích, với kết quả thể hiện trong hình 2.5.

Nghiên cứu cho thấy rằng thông số không gian thiết kế D có mối quan hệ tỷ lệ thuận với khối lượng và góc xoay, nhưng lại tỷ lệ nghịch với ứng suất Khi chiều dày t tăng từ 0.8 mm đến 1.2 mm, khối lượng tăng gần như theo tuyến tính Trong khoảng từ 0.8 mm đến 1.0 mm, khi chiều dày t giảm, góc xoay và ứng suất giảm mạnh; tuy nhiên, trong khoảng từ 1.0 mm đến 1.2 mm, sự giảm của góc xoay và ứng suất diễn ra chậm hơn.

Hình 2.3: mô hình chia lưới Hình 2.4: Giá trị Skewness

Bảng 2.3: Kết quả thực nghiệm số

Số TT R (mm) t (mm) Khối lượng (gr) Góc xoay (độ) Ứng suất (MPa)

Hình 2.5: Phân tích độ nhạy của biến thiết kế

Dựa trên dữ liệu từ bảng 2.3, phương pháp đáp ứng bề mặt đã được áp dụng để xác định mô hình toán học cho khối lượng, với kết quả cho thấy hằng số xác định gần đạt 100%, chứng tỏ mô hình có độ chính xác cao Theo lý thuyết thống kê, nếu giá trị P của biến thiết kế lớn hơn 0.05, biến đó sẽ không có giá trị thống kê; tuy nhiên, biến thiết kế vẫn có ảnh hưởng nhất định đến khối lượng, do đó tất cả các thông số được đưa vào mô hình toán học Mô hình toán học của khối lượng có dạng:

Kết quả phân tích phương sai từ các mô hình toán cho thấy mức độ đóng góp của từng biến thiết kế đến khối lượng, với D chiếm khoảng 29.46%, t chiếm khoảng 70.20% và D*t chiếm khoảng 0.34% Điều này chỉ ra rằng để giảm khối lượng của khớp xoay, cần giảm giá trị của t, vì t có mức đóng góp lớn hơn D.

Bảng 2.4: Kết quả phân tích phương sai cho khối lượng

Tham số Số bậc tự do Đóng góp (%) Giá trị F Giá trị P

Mô hình toán học cho góc xoay được xây dựng bằng phương pháp đáp ứng bề mặt, với hệ số xác định R² xấp xỉ 99.98%, cho thấy độ chính xác cao của mô hình này.

Bảng 2.5: Kết quả phân tích phương sai cho góc xoay

Mức đóng góp của biến thiết kế đối với góc xoay được xác định thông qua phương pháp phân tích phương sai, như thể hiện trong Bảng 2.5, cho thấy sự ảnh hưởng của các yếu tố D, t và t².

20 lần lượt là 3.27%, 96.19% và 0.51% Điều này cho thấy mức độ ảnh hưởng của t đến góc xoay là lớn nhất Vậy để tăng góc xoay thì cần giảm chiều dày t

Phương pháp đáp ứng bề mặt đã được áp dụng để xây dựng mô hình toán học cho ứng suất, với hệ số chính xác R² đạt khoảng 99.97%, cho thấy mô hình này đảm bảo độ chính xác cao Mô hình toán học của ứng suất có dạng cụ thể.

Phân tích phương sai cho ứng suất cho thấy rằng chiều dày t có mức đóng góp lớn nhất với 96.04%, trong khi các yếu tố khác như D, D², t² và D*t lần lượt chỉ đóng góp 0.19%, 0.00%, 2.80% và 0.95% Điều này chỉ ra rằng để giảm ứng suất, việc tăng chiều dày t là cần thiết.

Bảng 2.6: Kết quả phân tích phương sai cho ứng suất

Sau khi xây dựng mô hình toán học, ba mô hình khớp xoay với hệ xác định R² cho kết quả tốt đã được phát triển dựa trên ba cặp biến thiết kế ngẫu nhiên Các mô hình này được sử dụng để phân tích phần tử hữu hạn trong phần mềm ANSYS Kết quả phân tích và dự đoán của mô hình được trình bày trong bảng 2.7, cho thấy sai số trung bình của mô hình khối lượng, góc xoay và ứng suất lần lượt là 0.28%, 1.36% và 1.33%.

21 quả sai số như trên chứng minh rằng mô hình toán học được xây dựng đảm bảo độ chính xác cho quá trình tối ưu hóa

Bảng 2.7: Đánh giá tính chính xác của mô hình toán học

Mô hình toán học Phân tích phần tử hữu hạn Sai số f 1

Để tối ưu hóa thông số hình học của khớp xoay mềm, việc xác định giá trị trọng số của các hàm mục tiêu là rất quan trọng Thông thường, các nhà thiết kế dựa vào kinh nghiệm hoặc yêu cầu của khách hàng để chọn trọng số, nhưng điều này có thể dẫn đến kết quả không chính xác và ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc Do đó, trọng số của các hàm mục tiêu cần được tính toán để đảm bảo kết quả tối ưu phù hợp với điều kiện làm việc Dựa trên kết quả thực nghiệm số, trọng số của hàm mục tiêu khối lượng và góc xoay được tính toán thông qua tỷ số giữa tín hiệu và tín hiệu nhiễu (S/N) theo các công thức từ (2.1) đến (2.6), với kết quả được trình bày trong các bảng 2.8 và 2.9.

Bảng 2.8: Giá trị tỷ số tín hiệu trên độ nhiễu (S/N) và giá trị chuẩn hóa

TT R (mm) t (mm) S/N của f 1 Chuẩn hóa

Bảng 2.9: Kết quả tính trọng số

Giá trị S/N của f 1 Giá trị S/N của f 1 Xếp hạng Mức 1 Mức 2 Mức 3 Mức 1 Mức 2 Mức 3 f 1 f 2

Kết quả tối ưu và phân tích thống kế

Để đạt được kết quả tối ưu, phương pháp phân tích thống kê đã được sử dụng để so sánh và đánh giá hành vi của các thuật toán tối ưu bầy đàn, thuật toán tiến hóa vi phân và thuật toán Cuckoo Mỗi thuật toán đã được chạy 30 lần trên phần mềm MATLAB để thu thập dữ liệu Các thông số cài đặt cho hai thuật toán bao gồm kích thước dân số là 25, sai số cho phép là 10^-6 và số vòng lặp tối đa là 5000 Kết quả tối ưu cho hàm đa mục tiêu được trình bày trong bảng 2.10.

Bảng 3.10: Kết quả tối ưu

Kết quả tối ưu của thuật toán tiến hóa vi phân

Kết quả tối ưu của thuật toán bầy đàn

Kết quả tối ưu của thuật toán CucKoo f1 (gram) f2 (độ) f1 (gram) f2 (độ) f1 (gram) f2 (độ)

Kết quả phân tích thống kê bằng tiêu chuẩn Wilcoxon cho thấy giá trị p là 0.821, lớn hơn 0.05, khẳng định giả thuyết H0 đúng, tức là khối lượng giữa hai thuật toán là giống nhau Tuy nhiên, giả thuyết H0 cho góc xoay không được chấp nhận, cho thấy kết quả tối ưu cho góc xoay của hai thuật toán là khác nhau Thuật toán bầy đàn đạt kết quả dự đoán cao hơn so với thuật toán tiến hóa vi phân.

Bảng 2.11 So sánh Willcoxon giữa PSO và AEDE cho khối lượng

Số mẫu Trung bình sai khác Giá trị P Thống kê Willcoxon

Giả thuyết không: H0 Tất cả kết quả giống nhau

Giả thuyết thay thế: H1 Tất cả kết quả không giống nhau

Bảng 2.12 So sánh Willcoxon giữa PSO và AEDE cho góc xoay

Phân tích thống kê theo tiêu chuẩn Wilcoxon được thực hiện để so sánh kết quả dự đoán tối ưu giữa hai thuật toán tối ưu bầy đàn và Cuckoo, với kết quả được trình bày trong bảng 2.13 và 2.14 Kết quả cho thấy rằng dự đoán khối lượng và góc xoay của hai thuật toán là khác nhau; cụ thể, dự đoán khối lượng và góc xoay của thuật toán tối ưu bầy đàn thấp hơn so với thuật toán Cuckoo Đáng chú ý, mức độ ảnh hưởng của góc xoay lớn hơn so với khối lượng.

Bảng 2.13 So sánh Willcoxon giữa PSO và CUCKOO cho khối lượng

Giả thuyết thay thế : H1 Tất cả kết quả không giống nhau

Bảng 2.14 So sánh Willcoxon giữa PSO và CUCKOO cho góc xoay

Thống kê phi tham số theo tiêu chuẩn Friedman được sử dụng để so sánh hiệu suất của các thuật toán tối ưu Kết quả từ Bảng 2.15 cho thấy giá trị P nhỏ hơn 0.05, dẫn đến việc không chấp nhận giả thuyết H0, điều này cho thấy các kết quả tối ưu dự đoán khối lượng của các thuật toán là khác nhau Thuật toán tối ưu Cuckoo có tổng xếp hạng thấp nhất, chứng minh rằng nó là thuật toán hiệu quả nhất Tương tự, Bảng 2.16 trình bày kết quả thống kê theo tiêu chuẩn Friedman cho góc xoay, cho thấy thuật toán bầy đàn có hiệu suất tối ưu nhất trong dự đoán góc xoay.

Bảng 2.15 Kiểm tra Friedman cho khối lượng Đáp ứng Number of tests Median of difference Sum of Ranks

Bậc tự do R 2 Giá trị P

Bảng 2.16 Kiểm tra Friedman cho góc xoay Đáp ứng Number of tests Median of difference Sum of Ranks

Bậc tự do R 2 Giá trị P

Dựa trên phân tích thống kê bằng tiêu chuẩn Wilcoxon và Friedman, thuật toán tối ưu hóa bầy đàn được chọn cho nghiên cứu này do hiệu quả vượt trội so với thuật toán tối ưu tiến hóa vi phân và thuật toán tối ưu Cuckoo Kết quả tối ưu đạt được với D = 56 mm và t = 0.841 mm, trong khi khối lượng và góc xoay của khớp xoay mềm lần lượt là 0.036 gr.

58.8067 độ, ứng suất sinh ra là 326.63 MPa Ứng suất này đảm bảo hệ số an toàn thiết kế lớn hơn 1.5

Đánh giá kết quả tối ưu

Dựa trên kết quả tối ưu đề xuất, mô hình 3D của khớp xoay mềm đã được thiết kế và phân tích phần tử hữu hạn để đánh giá độ chính xác của kết quả Phân tích cho thấy sai số giữa kết quả tối ưu và phân tích phần tử hữu hạn cho khối lượng và góc xoay lần lượt là 0.2725% và 0.6567%, trong khi sai số của ứng suất sinh ra là 2.5625% Hai lý do chính gây ra sai số này là: 1) sự tồn tại của sai số trong quá trình xây dựng mô hình toán học, và 2) sai số kích thước do làm tròn số trong mô hình 3D và phân tích phần tử hữu hạn Mặc dù có sự khác biệt giữa hai môi trường, kết quả sai số nhỏ cho thấy độ tin cậy của kết quả tối ưu từ thuật toán tối ưu hóa bầy đàn cho khớp xoay mềm.

Hình 2.6: Kết quả phân tích ứng suất Bảng 2.17: Đánh giá kết quả tối ưu Đáp ứng Kết quả dự đoán Kết quả tối ưu Error (%) f 1 (gram) 0.0368 0.0367 0.2725 f 2 (độ) 59.1928 58.8067 0.6567 f 3 (MPa) 335 326.63 2.5625

Tiêu đề	Phát Triển, Thiết Kế Và Tối Ưu Hóa Khớp Xoay Cho Thiết Bị Hỗ Trợ Vận Động Chi Trên Sử Dụng Cơ Cấu Mềm
Tác giả	Ncs Châu Ngọc Lê, Pgs.Ts Lê Hiếu Giang, Ts. Đào Thanh Phong
Trường học	Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy
Thể loại	báo cáo tổng kết
Năm xuất bản	2020
Thành phố	Thành phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	40
Dung lượng	2,2 MB