Xác định đặc trưng cơ tính của vật liệu siêu đàn hồi và tự động tính toán tay gắp mềm cho robot

lý và hậu xử lý (hình 6). Giai 
 40A 0,20618948 2,01E-02 1,65E-03 đoạn tiền xử lý gồm các bước xây dựng mô hình hình học 
 45A 0,26854496 1,41E-02 5,80E-03 và xây dựng mô hình tính toán phần tử hữu hạn. Giai đoạn 
 2.2. Phương pháp thiết kế, chế tạo tay gắp mềm 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 
 Kích thước của ngón tay mềm tương đương với một xếp và hiển thị kết quả. 
 ngón tay người trưởng thành. Ngón tay mềm được tạo lên 
 bởi nhiều khoang rỗng thông nhau và kết nối với hệ thống Với kết cấu phức tạp được cấu tạo từ vật liệu siêu đàn 
 khí nén (hình 4a,b). Cụm tay gắp thường được cấu tạo từ 3- hồi như tay gắp mềm robot, theo cách tiếp cận truyền 
 4 ngón tay mềm (hình 4c). Do sự phức tạp của kết cấu và thống, giai đoạn tiền xử lý thường sẽ chiếm phần lớn thời 
 vật liệu, hoạt động của tay gắp mềm thường được mô gian vì phải chia thành hai bước riêng biệt được thực hiện ở 
 phỏng nhờ phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) trong môi hai phần mềm khác nhau. Bước một là thực hiện mô hình 
 trường Abaqus/CAE hoặc Ansys. Độ cong được đặc trưng hóa tay gắp trên phần mềm CAD riêng biệt, sau đó chuyển 
 bởi góc uốn α là thông số thường được sử dụng để đánh thành file trung gian và đưa vào phần mềm Abaqus. Bước 
 giá khả năng làm việc của của ngón tay mềm (hình 4d). 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 
 84 ra, giai đoạn tiền xử lý và hậu xử lý thường thực hiện bằng 
 9 5 8 tay trên giao diện người dùng (graphical user interface GUI) 
 t=1.4 1 2 hoặc sử dụng một vài câu lệnh riêng biệt để hỗ trợ 
 h=10 (Command line interface-CLI). Với tốc độ trung bình của 
 một kỹ sư, thời gian thực hiện các bước tiền xử lý cho tay 
 5
 .
 d=4 a) 2 gắp là khoảng 35 phút, thời gian tính toán trên 
 Thân chính c) 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, 
 Lớp giấy công sức. Vì vậy với cách tiếp cận truyền thống này không 
 Lớp nắp (trên và dưới) thể khảo sát nhiều phương án thiết kế khác nhau, nhằm 
 b)
 d) tìm ra phương án thiết kế tối ưu cho tay gắp mềm. 
 Hình 4. Thiết kế, mô phỏng tay gắp mềm Để rút ngắn thời gian thực hiện giai đoạn tiền xử lý và 
 a) Kích thước; b) Cấu tạo; c) Cụm tay gắp; d) Biến dạng của ngón tay gắp hậu xử lý cho tay gắp, các chương trình tính tự động ở 
98 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số 3 (6/2021) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn 
 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 
 Thực 
hóa mô hình của tay gắp và mô tả đầy đủ các đặc trưng của 
 nghiệm 
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 
 α=100,23o α=88,44o α=65,54o 
theo, file Script sẽ được kết nối trực tiếp với hạt nhân tính 
toán của Abaqus/CAE nhờ bộ thông dịch của Python để Mô 
thực hiện quá trình tính toán một cách tự động. Ở giai đoạn phỏng 
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. 
 o o o
 File 3D α=98,39 α=87,38 α=67,43 
 GUI CLI
 Mô trung gian 
 (Graphical (Command SCRIPT FILE
 hình 3D (từ phần mềm 
 user interface) line interface) Độ cứng 35A 40A 45A 
 khác)
 Thực 
 TIỀN
 XỬ LÝ nghiệm 
 Mô hình GUI CLI SCRIPT FILE
 FEM
 Trình thông dịch của PYTHON o o o
 XỬ LÝ α=67,52 α=76,73 α=68,77 
 Mô 
 Hạt nhân tính toán ABAQUS/CAE phỏng 
 HẬU Dữ liệu
 GUI CLI SCRIPT FILE 
 XỬ LÝ đầu ra 
 α=64,45o α=74,68o α=67,59o 
 Hình 6. Sơ đồ tính toán Hình 7. So sánh biến dạng ngón tay mềm giữa mô phỏng và thực nghiệm ở 
 áp suất 20kPa 
 Theo cách tiếp cận mới này, quá trình tính toán được 
diễn ra một cách liên tục, không gián đoạn và hoàn toàn tự 20A
 120
động. Hơn thế nữa, thời gian tiền xử lý và hậu xử lý đã được o
 α
rút ngắn hoàn toàn, vì vậy tổng thời gian tính toán mô 100
phỏng cho một phương án thiết kế đã rút ngắn chỉ còn 80
 Góc uốn 
khoảng 20 phút (xấp xỉ bằng thời gian của quá trình xử lý). 60
Đồng thời kết quả tính toán cũng được tự động tổng hợp, 40
sắp xếp ở dạng bảng và đồ thị, giúp quá trình đánh giá, 20
phân tích cũng trở lên dễ dàng hơn. Các kết quả tính toán 
 0
cho tay gắp sử dụng chương trình tính toán tự động sẽ 0 5 10 15 20 25 30
 Áp suất, kPa
được trình bày ở các mục tiếp theo của bài báo. 
 Experiment Yeoh
3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ THẢO LUẬN 
 25A
3.1. So sánh kết quả mô phỏng với thực nghiệm 120
 o
 α
 Dựa trên cơ sở chương trình tính toán tự động được 100
thiết lập, việc mô phỏng đã được thực hiện với các ngón 80
 Góc uốn
tay mềm tương ứng với 6 mã vật liệu khác nhau đã tìm ra ở 60
bảng 1. Song song với đó, 6 mẫu ngón tay mềm tương ứng 40
với các mã vật liệu này cũng được chế tạo thực nghiệm. Kết 20
quả so sánh giữa thực nghiệm và mô phỏng ở áp suất 0
 0 5 10 15 20 25 30 35
20kPa được thể hiện trên hình 7. Mối liên hệ giữa góc uốn Áp suất, kPa
vào áp suất thu được bằng thực nghiệm và mô phỏng được Experiment Yeoh 
 Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol. 57 - No. 3 (June 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 99
 KHOA H ỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 
 30A cũng được tăng lên đáng kể. Nguyên nhân là khi tăng độ 
 90
 o 80 rộng b, thành khoang dễ bị biến dạng cong hơn dưới tác 
 α
 70 dụng của áp suất, điều này dẫn đến sự tương tác đẩy nhau 
 60
 50 giữa các khoang cũng xảy ra rõ rệt hơn. 
 Gócuốn 
 40 Phân tích tay gắp với độ rộng khoang h trong khoảng 7 
 30
 20 - 11mm (hình 9b) cho thấy chiều cao khoang và góc uốn 
 10 cũng tỷ lệ thuận với nhau. Nguyên nhân là khi tăng chiều 
 0
 0 5 10 15 20 25 30 35 cao h, thành khoang dễ bị biến dạng hơn khi có áp suất, 
 Áp suất, kPa dấn đến sự tương tác đẩy nhau giữa các khoang cũng được 
 Experiment Yeoh
 diễn ra rõ rệt hơn. 
 35A
 90 Phân tích biến dạng của tay gắp khi độ dày thành 
 o 80
 α khoang t (mm) thay đổi trong khoảng 0,8 - 2,2mm cho thấy 
 70 rằng khi độ dày thành t tăng thì biến dạng và độ cong của 
 60
 50 tay gắp giảm đi do tay gắp có xu hướng cứng hơn (hình 9c). 
 Góc uốn 
 40 Do đó để cải thiện góc uốn của tay gắp khi đó độ dày thành 
 30
 20 khoang (t) cần càng nhỏ càng tốt. 
 10 Thay đổi độ dày tấm đáy d trong khoảng 2 - 4mm cho 
 0
 0 5 10 15 20 25 30 35 thấy, khi d tăng thì biến dạng và độ cong của tay gắp giảm 
 Áp suất, kPa
 đi (hình 9d). Điều này cũng phù hợp với lý thuyết vì việc 
 Experiment Yeoh
 tăng d đã dẫn đến tăng khả năng chống uốn của lớp vật 
 40A liệu chịu nén. Do đó để cải thiện góc uốn của tay gắp thì độ 
 100
 o 90 dày tấm đáy d cần lựa chọn nhỏ nhất có thể theo khả năng 
 α
 80 chế tạo. 
 70
 60
 o
 Góc uốn
 50 α
 40
 30
 20
 10
 Góc uốn uốn Góc
 0
 0 5 10 15 20 25 30 35
 Áp suất, kPa
 Experiment Yeoh 
 45A
 90
 80
 o Độ rộng khoang b, mm
 α
 70 a) 
 60
 50 o
 α
 Góc uốn 40
 30
 20
 10
 Góc uốn Góc uốn
 0
 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 a) 
 số khác nhau o
 α
 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 uốn Góc
 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 Độ dày thành khoang t, mm
 10 - 30mm (hình 9a) cho thấy độ rộng khoang và góc uốn c) 
 tỷ lệ thuận với nhau. Khi độ rộng khoang tăng, góc uốn 
100 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số 3 (6/2021) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn 
 P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY 
 o [5]. E. Coevoet et al., 2017. Software toolkit for modeling, simulation, and 
 α 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 
 Góc uốn Góc uốn
 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 
 Độ dày tấm đệm d, mm Actuators. Adv. Mater., vol. 28, no. 2, doi: 10.1002/adma.201504264. 
 d)
 [8]. J. Hughes, U. Culha, F. Giardina, F. Guenther, A. Rosendo, F. Iida, 2016. 
 Hình 9. Khảo sát ảnh hưởng của các tham số hình học tới góc uốn tay gắp Soft manipulators and grippers: A review. Front. Robot. AI, vol. 3, no. NOV, pp. 1–
 12, doi: 10.3389/frobt.2016.00069. 
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 Sci. Rep., vol. 10, no. 1, pp. 1–15, doi: 10.1038/s41598-020-75346-5. 
vật liệu siêu đàn đồi và phân tích kết cấu tay gắp mềm cho 
 [10]. C. Laschi, M. Cianchetti, B. Mazzolai, L. Margheri, M. Follador, P. Dario, 
robot được trình bày. Các bộ thông số của mô hình vật liệu 
 2012. Soft robot arm inspired by the octopus. Adv. Robot., vol. 26, no. 7, pp. 709–
theo lý thuyết Yeoh đã được tìm ra bằng phương pháp thực 
 727, doi: 10.1163/156855312X626343. 
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 [11]. H. Zhang, Y. Wang, M. Y. Wang, J. Y. H. Fuh, A. S. Kumar, 2017. Design 
tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn nhờ phần and Analysis of Soft Grippers for Hand Rehabilitation. 12th Manufacturing Science 
 and Engineering Conference (MSEC2017), doi: 10.1115/msec2017-2814. 
mềm Abaqus/CAE. Tiếp đó, các mẫu ngón tay mềm đã 
được chế tạo bằng phương pháp đúc tương ứng với các [12]. Z. Wang, S. Hirai, 2017. Soft Gripper Dynamics Using a Line-Segment 
mác vật liệu khác nhau và tiến hành thực nghiệm đo độ Model With an Optimization-Based Parameter Identification Method. IEEE Robot. 
uốn dưới tác dụng của áp suất khí nén. Sự trùng khớp của Autom. Lett., vol. 2, no. 2, pp. 624–631, doi: 10.1109/LRA.2017.2650149. 
kết quả thực nghiệm và mô phỏng đã chứng tỏ các bộ [13]. Z. Wang, Y. Torigoe, S. Hirai, 2017. A Prestressed Soft Gripper: Design, 
thông số của vật liệu silicon theo mô hình Yeoh được tìm ra Modeling, Fabrication, and Tests for Food Handling. IEEE Robot. Autom. Lett., vol. 
là đúng đắn. Vì vậy, các bộ thông số vật liệu tìm được này 2, no. 4, pp. 1909–1916, doi: 10.1109/LRA.2017.2714141. 
không chỉ có thể sử dụng để mô phỏng ngón tay mềm mà [14]. H. K. Yap, H. Y. Ng, C. H. Yeow, 2016. High-Force Soft Printable 
có thể sử dụng khi tính toán thiết kế các cơ cấu chấp hành Pneumatics for Soft Robotic Applications. Soft Robot., vol. 3, no. 3, pp. 144–158, 
mềm khác. doi: 10.1089/soro.2016.0030. 
 Để nâng cao hiệu quả mô phỏng, một chương tính toán [15]. H. Zhang, A. S. Kumar, J. Y. H. Fuh, M. Y. Wang, 2018. Design and 
tự động cho tay gắp mềm đã được xây dựng trên nền ngôn Development of a Topology-Optimized Three-Dimensional Printed Soft Gripper. Soft 
ngữ Python tích hợp với Abaqus/CAE. Chương trình tính Robot., vol. 5, no. 5, pp. 650–661, doi: 10.1089/soro.2017.0058. 
toán được xây dựng đã tự động hóa được quá trình tiền xử [16]. G. Yi, Y. Sui, J. Du, 2011. Application of python-based Abaqus preprocess 
lý và hậu xử lý, giúp loại bỏ các thao tác bằng tay lặp đi lặp and postprocess technique in analysis of gearbox vibration and noise reduction. 
lại và tăng đáng kể tốc độ tính toán. Nhờ vậy, nhiều Front. Mech. Eng., vol. 6, no. 2, pp. 229–234, doi: 10.1007/s11465-011-0128-z. 
phương án thiết kế khác nhau của tay gắp mềm đã được [17]. P. Polygerinos et al., 2013. Towards a soft pneumatic glove for hand 
khảo sát một cách thuận lợi. Kết quả nghiên cứu là cơ sở để rehabilitation. IEEE Int. Conf. Intell. Robot. Syst., pp. 1512–1517, doi: 
lựa chọn phương án thiết kế tối ưu cho tay gắp mềm. 10.1109/IROS.2013.6696549. 
 [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: 
 TÀI LIỆU THAM KHẢO 10.5254/1.3538343. 
 [1]. Z. Samadikhoshkho, K. Zareinia, F. Janabi-Sharifi, 2019. A Brief Review [19]. N. V. T. Vang Tran Anh, Van Binh Phung, 2019. Design, Simulation and 
on Robotic Grippers Classifications. 2019 IEEE Can. Conf. Electr. Comput. Eng. Fabrication of a Soft Robotic Gripper for Grasping the Objects with an Arbitrary 
CCECE 2019, pp. 1–4, doi: 10.1109/CCECE.2019.8861780. Shape. 5th Vietnam Int. Conf. Exhib. - VCCA, pp. 1–7. 
 [2]. D. Rus, M. T. Tolley, 2015. Design, fabrication and control of soft robots. [20]. H. M. Dang, C. T. Vo, N. T. Trong, V. D. Nguyen, V. B. Phung, 2021. 
Nature, vol. 521, no. 7553, pp. 467–475, doi: 10.1038/nature14543. Design and development of the soft robotic gripper used for the food packaging 
 [3]. T. Rehman, A. A. M. Faudzi, D. E. O. Dewi, M. S. M. Ali, 2017. Finite system. J. Mech. Eng. Res. Dev., vol. 44, no. 3, pp. 334–345. 
element analysis for PDMS based dual chamber bellows structured pneumatic 
actuator. Commun. Comput. Inf. Sci., vol. 751, pp. 392–402, doi: 10.1007/978- AUTHORS INFORMATION 
981-10-6463-0_34. 
 PhungVan Binh1, Nguyen Quoc Anh1, Nguyen Trong Hoang1, 
 [4]. J. R. Bemfica, C. Melchiorri, L. Moriello, G. Palli, U. Scarcia, 2014. A three-
 Tran Anh Vang1, Dang Hoang Minh2 
fingered cable-driven gripper for underwater applications. 2014 IEEE International 
 1
Conference on Robotics and Automation (ICRA), doi: Faculty of Aerospace Engineering, Le Quy Don Technical University 
10.1109/ICRA.2014.6907203. 2Faculty of Mechanical Engineering, Industrial University of Ho Chi Minh City
 Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol. 57 - No. 3 (June 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 101