Cơ cấu chấp hành mềm ( Compliant Actuator)

Chào các bạn,

Bài này đã viết bên meslab, nội dung khá mới, rất có ích cho các bạn có đam mê và tìm hiểu về robotics, nên post qua bên này để các bạn có hứng thú về robotics tiếp cận và tìm hiểu những hướng nghiên cứu và ứng dụng mới về robotics.

Mình đề xuất tên tiếng Việt của cơ cấu này là " Cơ cấu chấp hành mềm", tên tiếng Anh của cơ cấu này là Variable impedance actuator hoặc Compliant Actuator

Trong 50 năm qua của nghành robotics, thì quan niệm của người thiết kế robot với cơ cấu chấp hành là "càng cứng thì càng tốt", vì với robot công nghiệp thì càng cứng thì độ ổn định sẽ càng cao khi robot làm việc với tải lớn và tốc độ cao. Khái niệm này thì hoàn toàn đúng với các ứng dụng robot công nghiệp vì nó yêu cầu độ chính xác cao. Và hiện nay thì nhu cầu về robot công nghiệp của thế giới đang bão hòa, các nhà sản xuất đang tìm những hướng mới để ứng dụng vào.

Trong 50 năm tới của nghành robotics, những robot của thế hệ tiếp theo sẽ được sử dụng trong cuộc sống hàng ngày, khi đó robot và con người sẽ cùng làm việc, cùng chơi càng nhau, robot và con người sẽ chia sẽ chung không gian làm việc. Và vì vậy cần phải làm ra một cơ cấu chấp hành mới mà phải có các đặc tính như mềm, an toàn và tiết kiệm được năng lượng, ngoài ra còn phải có khả năng thực hiện được các tác vụ tương đương với khả năng của con người. Ví dụ như hiện nay chưa có 1 robot nào tương đương về kết cấu mà có thể tạo được lực sút trái bóng mạnh bằng con người. Vì cấu tạo cơ của con người là mềm, quá trình suất bóng là quá trình tích lũy cả năng lượng động năng và thế năng(từ các thành phần mềm cấu tạo nên cơ ) để tạo được lực sút lớn nhất, trong khi với robot cứng thì chỉ là tích lũy động năng và giải phóng. Và compliant actuator là chìa khóa để giải quyết những vấn đề này !

Video 1 số robot ứng dụng cơ cấu chấp hành mềm của năm 2009 cho các bạn thấy được những ưu điểm của nó so với các robot cứng hiện tại.

http://www.youtube.com/watch?feature...&v=hUkdQXQe5s4


Chúc vui.

So sánh giữa robot công nghiệp và các ứng dụng robot mới.

• Với robot công nghiệp thì chúng ta cần các đặc tính sau:
• Độ chính xác cao khi chạy theo đặc tuyến vị trí
• Có lực và moment tác động lớn
• Để làm việc an toàn thì cần tránh xa khu vực làm việc của con người.

Đính kèm 537

Trong khi với các ứng dụng robotic mới thì cần các đặc tính sau:

• Tiếp xúc, gần gũi với con người, robot cần thân thiện với con người
• Đảm bảo an toàn khi làm việc với môi trường có con người
• Va chạm mềm để không làm chấn thương con người

Đính kèm 538

So sánh giữa cơ cấu chấp hành cứng và cơ cấu chấp hành mềm:

Cơ cấu chấp hành cứng
Chạy theo 1 đặc tuyến xác định trước với bất kì lực tác động từ bên ngoài tới robot.

Đính kèm 539

Cơ cấu chấp hành mềm
Cho phép 1 khoảng lệch nào đó xung quanh vị trí cân bằng (vị trí cân bằng là vị trí mà cơ cấu chấp hành không tạo ra lực tác động )

Đính kèm 540

So sánh giữa mềm tích cực và mềm thụ động:

Mềm tích cực:

• Là thái độ mềm của cơ cấu chấp hành cứng mà được điều khiển bằng phần mềm.
• Các đặc tính của nó là :
• Tương tác chậm với các va chạm đột ngột.
• Không có năng lượng được lưu trữ
• Năng lượng cung cấp thì cần cho cả quá trình tăng tốc và giảm tốc với tải.

Đính kèm 541

Mềm thụ động:

• Là những cơ cấu chấp hành mềm với các thành phần co giãn ( lò xò hoặc PAM (Pneumatic artificial mucles),...)
• Không giới hạn tần số va chạm, kể cả những va chạm đột ngột cũng không ảnh hưởng tới con người
• Lưu trữ năng lượng, giúp tiết kiệm được năng lượng.
• Tạo được cảm giác tự nhiên giống con người, và đặc tính động lực học của robot giống với con người.

Đính kèm 542

So sánh giữa mềm thụ động không đổi ( hằng số) và mềm thụ động thay đổi được.

• Mềm thụ động không đổi( hằng số)
• Độ mềm thì cố định, không thay đổi được
• Điều chỉnh độ cứng bằng thay đổi các thành phần co giãn.
• Chỉ sử dụng một motor.

• Mềm thụ động thay đổi được
• Độ mềm có thể thay đổi được.
• Tăng độ phức tạp.
• Tăng thêm 1 motor để điều chỉnh độ mềm.

Đây là ví dụ và sơ đồ của cơ cấu chấp hành mềm thụ động không đổi
Cơ cấu chấp hành với thành phần co giãn nối tiếp (MIT)

Đính kèm 543

Đính kèm 544

Với cơ cấu chấp hành thụ động thay đổi được người ta chia làm 3 nhóm:

• Antagonistic setup (giữ nguyên tên tiếng Anh) của 2 lò xo phi tuyến.
• Structure Stiffness Control
• Mechanically Stiffness Control

Các bài viết sau mình sẽ tập trung giới thiệu một số ví dụ của 3 loại này. Cơ cấu chấp hành mà mọi người đang muốn thiết kế là 1 trong 3 loại này, hoặc một loại mới nào đó mà chúng ta có thể nghĩ ra (đang chờ các bạn khám phá ). Cái mà chúng ta cần làm là thiết kế một cơ cấu chấp hành mới thụ động và thay đổi được ( A new variable passive compliant actuator )

Trước khi giới thiệu chi tiết thêm mình sẽ nói mục đích mà thế giới muốn đạt được trước, đó là :
"Một thiết kế cuối cùng mà kết hợp được vùng thay đổi độ cứng từ 0 (zero stiffness) cho tới 100% (completely stiff), khối lượng nhẹ, và nhỏ gọn và đặc biệt cần dễ dàng để điều khiển "

Các bạn có thể sử dụng các từ khóa này để tìm hiểu thêm trên mạng:
Controllable stiffness actuators, adjustable compliance actuators.

Tiếp tục phần tiếp theo, để mà kết hợp được giữa lưu trữ năng lượng và điều chỉnh độ cứng thì 1 thành phần co giãn (elastic) cần được sử dụng để lưu trữ năng lượng, và kèm thêm 1 cách nào đó để có thể điều chỉnh được độ cứng của cơ cấu chấp hành. Dựa vào số lượng các thiết kế hiện tại đã được phát triển thì người ta có thể phân biệt thành các nhóm chính như đã liệt kê ở bài trên.
Giờ mình sẽ giới thiệu từng vấn đề cụ thể trong các nhóm đó.

Antagonistic-controlled stiffness
Với loại này , chúng ta sử dụng 2 cơ cấu chấp hành cứng, bằng cách điều khiển đồng thời 2 cơ cấu chấp hành và sử dụng các lò xo phi tuyến, thì tính mềm và vị trí cân bằng của cấu hình này có thể điều chỉnh.
Ví dụ rõ nhất về loại này là cánh tay của con người (biceps and triceps)

Đính kèm 545

Vậy tại sao với cấu hình này thì chúng ta phải sử dụng lò xo phi tuyến thì mới có thể thay đổi được độ cứng ?
Chúng ta hãy xem một ví dụ đơn giản của cấu hình này.

Đính kèm 546

Nếu 2 lò xo này là tuyến tính và có hằng số độ cứng k là giống nhau.
Theo hình thì x0A và x0B là những vị trí mà lực tác dụng từ lò xo là bằng 0. Lực tác dụng vào khối trung tâm thì có thể tính theo công thức sau:

Đính kèm 547

Độ cứng chung của cơ cấu chấp hành này sẽ là :

Đính kèm 548

Theo kết quả thì độ cứng độc lập với 2 thông số x0A và x0B , và vì vậy tính mềm thông thể điều khiển được.

Nếu bây giờ giả sử 2 lò xo này là các các lò có đặc tính bậc 2, thì lực tác dụng vào khối trung tâm sẽ là:

Đính kèm 549

Khi đó độ cứng của cấu hình này sẽ là:

Nếu bây giờ giả sử 2 lò xo này là các các lò có đặc tính bậc 2, thì lực tác dụng vào khối trung tâm sẽ là:

Đính kèm 550

Khi đó độ cứng của cấu hình này sẽ là:

Đính kèm 551


Chúng ta có thể thấy ở đây, độ cứng thì là một hàm tuyến tính với độ chêch lệch của x0A và x0B, và 2 thông số này là những thông số điều khiển được bởi 2 cơ cấu chấp hành.

Vị trí cân bằng của cấu hình này có thể được tính như sau:

Đính kèm 552

Ta thấy nó là trung bình của x0A và x0B. Vì vậy bằng cách điều khiển 2 thông số này thì độ cứng và vị trí cân bằng có thể được điều khiển.

Để tạo được lò xo phi tuyến ta có thể mua trực tiếp loại này hoặc dùng một số cơ cấu để chuyển các lò xo tuyến tính thành các lò xo phi tuyến.

Bây giờ mình sẽ giới thiệu một số thiết kế đã được làm, còn nếu bạn nào muốn phân tích cụ thể từng cơ cấu thì mình sẽ phân tích sau:

1. Biological inspired joint stiffness control (Migliore 2005)

Đính kèm 553

2. AMASC (Actuator with mechanically adjustable series compliance) (Hurst 2004)

Đính kèm 554

3. VSA1 (Variable Stiffness Actuator) (Tonietti 2005)

Đính kèm 555

4. VSA2 (R. Schiavi 2008)

Đính kèm 556

5. Antagonictic configuration of PPAM's as a bidirectional rotational actuator

Đính kèm 557


Các bạn có thể dùng các tên gọi này để tìm hiểu thêm trên internet, sẽ có nhiều bài báo về các cơ cấu chấp hành mềm này, và được giải thích rất chi tiết.

Tóm tắt các đặc điểm của cấu hình Antagonistic setup:

• Sử dụng 2 cơ cấu thụ đông phi tuyến làm việc đối ngược nhau.
• Độ cứng và vị trí không thể điều khiển độc lập nhau
• Độ phức tạp cao
• Vùng độ cứng thay đổi từ thấp tới trung bình
• Khi hoạt động với độ cứng lớn thì lực căng tác dụng lên phần cơ cấu rất lớn.

Tiếp tục vấn đề này, giờ mình sẽ giới thiệu về nhóm số 2 của cơ cấu chấp hành mềm:
Structure Stiffness Control
Điều chỉnh cấu trúc vật lí của vật liệu để đạt được sự thay đổi của độ cứng.
Khi chúng ta sử dụng một thanh mỏng, xem như là thành phần co giãn, độ cứng lúc này sẽ phụ thuộc mô đun đàn hồi của vật liệu, moment quán tính, và ảnh hưởng của chiều dài thanh.
Để dễ hiểu cho cấu hình này ta nghĩ tới phương trình độ võng của một thanh mỏng

Đính kèm 572

Với M là moment uốn, E là mô đun đàn hồi của vật liệu, và L là chiều dài thanh, và theta là góc uốn.
Trong khi hoạt động thì độ cứng của cơ cấu có thể được điều khiển bằng cách điều chỉnh một trong các thông số trên.
Trong 3 thông số ở trên thì mô đun đàn hồi của vật liệu là một thuộc tính của vật liệu và không thế được điều khiển bằng thay đổi cấu trúc. Tuy nhiên cũng có một số vật liệu có thể thay đổi theo nhiệt độ, nhưng nó không thể thay đổi đủ nhanh để có thể áp dụng vào cơ cấu chấp hành mềm. Thường người ta tìm cách thay đổi moment quán tính hoặc chiều dài thanh để thay đổi độ cứng.

Một số thiết kế đã được phát triển với cấu hình này: (Nếu bạn nào quan tâm thì mình phân tích chi tiết sau)
1. Variation of moment of inertia by axial rotation (Hollander, Sugar, 2004)

Đính kèm 573

2. Mechanical Impedance Adjuster (T. Morita, 1995)

Đính kèm 574

3. Jack Spring Actuator (Hollander, Sugar, and Herring 2006)

Đính kèm 575

Tóm tắt với cấu hình Structure Stiffness Control :

• Thay đổi cấu trúc hoạt động của một thành phần co giãn
• Một vài thiết kế thì đơn giãn, nhưng một số cái khác thì phức tạp
• Điều khiển độ cứng và vị trí có thể độc lập nhau.
• Vùng độ cứng lớn.

Nhóm cuối cùng trong 3 nhóm trên là:
Mechanically Stiffness Control

Cái này cũng tương tự với nhóm Structure Stiffness Control. Nhưng trong trường hợp này thì chiều dài đầy đủ của lò xo thì luôn được sử dụng. Sự thay đổi của độ cứng của cơ cấu chấp hành bằng cách thay đổi những chỗ mà thành phần co giản được gắn vào trong cấu trúc, đó là quá trình kéo hoặc nén của lò xo.

Một số thiết kế đã được phát minh với cấu trúc này:
1. MACCEPA Mechanically Adjustable Compliance and Controllable Equilibrium Position Actuator (R. Van Ham 2006)

Đính kèm 576

Đính kèm 577

2. VS Joint (German Aerospace Center (DLR) 2008)

Đính kèm 578

3. SJM-II (Jung-Jun Park 2009)

Đính kèm 579

Tóm tắt các đặc điểm của Mechanically Stiffness Control

• Thiết kế dễ dàng
• Vị trí và độ cứng có thể thay đổi độc lập
• Vùng thay đổi độ cứng từ thấp tới trung bình

Bảng so sánh các thuộc tính của các nhóm khác nhau:

Đính kèm 580

Tóm tắt chung về vấn đề này:
Các cơ cấu chấp hành mềm, thụ động và có thể điều chỉnh được sẽ càng ngày càng tăng vai trò quan trọng của nó trong các ứng dụng robotic trong tương lai, nó sẽ được sử dụng nhiều trong thế hệ robot tiếp theo vì 2 lí do sau :

• Tạo tương tác an toàn giữa con người và robot
• Tiết kiệm năng lượng

Khuynh hướng thiết kế của cơ cấu chấp hành mềm:

• Vùng độ cứng thay đổi từ 0 tới 100%
• Khối lượng nhẹ và nhỏ gọn
• Dễ điều khiển.