Chương 1 trình bày thông tin tổng quan tài liệu từ các công bố khoa học gần đây về thiết bị tự di chuyển, qua đó làm rõ hơn ngữ cảnh phát sinh, khoảng trống kiến thức và tính cấp thiết của đề tài. Chương 2 trình bày một số kiến thức, phương pháp khoa học sẽ được sử dụng làm cơ sở triển khai nghiên cứu về thiết bị tự di chuyển trong đề tài. Tiến trình thiết kế, triển khai và thử nghiệm hệ thống thí nghiệm dùng cho nghiên cứu được trình bày trong Chương 3. Tiếp theo, Chương 4 trình bày những nội dung về phát triển mô hình toán mô tả hệ thống mới được đề xuất, kết quả thực nghiệm kiểm chứng, phân tích động lực học và đánh giá hệ thống mới.
Cuối cùng là phần Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ THIẾT BỊ TỰ DI CHUYỂN Chương này trình bày thông tin tổng quan các nghiên cứu đã thực hiện trước đây về thiết bị tự di chuyển. Các nghiên cứu về thiết bị tự di chuyển không dùng cơ cấu dẫn động ngoài được phân tích đánh giá chi tiết nhằm làm rõ hơn tính cấp thiết và mức độ đóng góp mới của nghiên cứu. Trước hết, nguyên tắc hoạt động của thiết bị tự di chuyển được tóm tắt theo hai nhóm: Nhóm có cơ cấu dẫn động ngoài và nhóm không có thiết bị dẫn động ngoài (thiết bị tự di chuyển nhờ rung động).
Tiếp theo, các nghiên cứu gần đây về các thiết bị tự di chuyển nhờ rung động sẽ được phân tích chi tiết để nêu bật các xu hướng nghiên cứu, các kết quả chính đã đạt được để qua đó, chỉ ra được khoảng trống kiến thức mà nghiên cứu này sẽ tập trung nhằm tạo ra đóng góp mới. Nguyên tắc hoạt động của thiết bị tự di chuyển 1. Thiết bị tự di chuyển có cơ cấu dẫn động ngoài Các thiết bị có cơ cấu dẫn động ngoài thực hiện việc di chuyển dựa trên nguyên tắc tạo ra chuyển động tương đối của các cơ cấu dạng chân (legs), mái chèo (padles), bánh xe (wheels) để tạo lực tương tác với bề mặt môi trường, qua đó phát sinh chuyển động của hệ thống so với môi trường. Rô-bốt có bánh xe dẫn động (a) và rô-bốt có bánh xích dẫn động (b) Hình 1.2 [60] minh họa một rô-bốt hai chân được nghiên cứu giảm bậc tự do và khối lượng hệ thống khi đang di chuyển trên đường bằng và di chuyển trên dốc.
Một rô-bốt có chân bước khi di chuyển trên đường bằng và khi lên dốc Nhiều nghiên cứu đã được triển khai nhằm tạo ra các rô-bốt nhỏ (mini) có cơ cấu dẫn động ngoài nhằm ứng dụng trong lĩnh vực nội soi. Các rô-bốt này có thể hoạt động độc lập trong cơ thể người hoặc động vật mà không cần dây dẫn tín hiệu hoặc thiết bị truyền lực kéo, lực đẩy. Các rô-bốt này được chia thành hai nhóm chính: nhóm dùng chân (mái chèo) và nhóm sử dụng tương tác thủy lực. Nguyên tắc hoạt động và một số thông số hình dáng kích thước và tốc độ di chuyển của các rô- bốt đặc trưng được tóm tắt trong Bảng 1.
Một biến thể khác của thiết bị có dẫn động ngoài là loại rô-bốt sử dụng các giác bám và dịch chuyển tương tự con sâu đo.4 [33] mô tả nguyên tắc hoạt động của các rô-bốt dạng này.3a, một lò xo làm bằng hợp kim nhớ hình (Shape memory alloy - SMA) có thể thay đổi giữa hai trạng thái dãn ra hoặc co lại tùy thuộc nhiệt độ điều khiển. Lò xo co-dãn gây chuyển động xích lại gần hoặc rời xa nhau của hai đầu rô- 8 bốt. Sử dụng chiều của các chân bám phù hợp sẽ dẫn đến khả năng di chuyển theo hướng tùy chọn của rô-bốt. Sơ đồ triển khai được mô tả trên Hình 1.
Mô hình kết cấu của rô-bốt sâu đo sử dụng lò xo làm bằng hợp kim nhớ hình cũng được triển khai nghiên cứu như mô tả trên Hình 1.2 tóm tắt một số thông tin kết quả nghiên cứu về rô-bốt dạng sâu đo. Thông tin tóm tắt một số rô-bốt mini dùng chân Tác giả, năm công bố, tài Mô hình/ Hình dạng Cơ cấu dẫn Kích cỡ Vận tốc STT liệu tham chế thử động (mm) (mm/phút) khảo Eugene Dây và lò xo Cheung và làm bằng vật Φ10x22 1 40 cộng sự, 2005 liệu nhớ hình mm [12] (SMA) Hyunjun Park Φ13x30 2 và cộng sự, Động cơ mini 286 mm 2007 [61] 600 mm/ph Sungwook (thí Φ15x43 3 Yang và cộng Động cơ mini nghiệm) mm sự, 2011 [78] 170 mm/ph (mẫu thực) Valdastri và 4 cộng sự, 2009 Động cơ mini Φ11x25 50 [72] 9 Hình 1. Nguyên lý biến dạng (a) và sơ Hình 1. Mô hình nguyên lý làm việc của đồ nguyên lý (b) của rô-bốt sâu đo rô-bốt sâu đo Bảng 1.
Thông tin tóm tắt rô-bốt mini dạng sâu đo Tác giả, năm công bố, tài Mô hình/ Hình dạng Cơ cấu dẫn Kích cỡ Vận tốc STT liệu tham chế thử động (mm) (mm/phút) khảo Daisuke Lò xo nén Hosokawa và dùng vật liệu 48(L)x16(W) 1 9.6 mm/ph cộng sự, 2009 nhớ hình x11(H) [26] (SMA) Kim và các Mô phỏng 25.5 2 cộng sự, 2005 Lò xo SMA Φ13x33 mm/ph; Thực tế [32] 10 mm/ph Đặc điểm chung của các rô-bôt có chân hoặc giác bám có thể tóm lược như sau: - Về ưu điểm: Các rô-bốt dạng này di chuyển chắc chắn, tốc độ di chuyển nhanh. So với các rô-bốt có chân thì rô-bốt dạng sâu đo di chuyển chậm hơn. - Về nhược điểm: khó hoặc không thể di chuyển ngược (lùi), tác động của cơ cấu di chuyển ở phía ngoài dễ làm hư hại môi trường xung quanh. Đặc biệt là khi làm việc trong cơ thể chúng có thể làm tổn thương nội tạng người/ động vật.
Một loại thiết bị tự di chuyển có cơ cấu dẫn động ngoài khác hoạt động dựa trên nguyên lý tương tác thủy lực, di chuyển được nhờ phản lực của chất lỏng môi 10 trường tác động lên bề mặt xoắn vít bố trí bên ngoài vỏ.3 tóm tắt các thông tin nghiên cứu về rô-bốt dạng này. Thông tin tóm tắt rô-bôt mini dùng thủy lực Tác giả, năm công bố, tài Mô hình/ Cơ cấu dẫn Kích cỡ Vận tốc STT liệu tham Mẫu chế thử động (mm) (mm/ph) khảo Huajin Liang 1 và các cộng sự, Động cơ 1 chiều Φ 12 × 29 3600 2011 [37] Động cơ Bánh hai trục răng côn Jia Chen và các 2 cộng sự, 2009 Động cơ 1 chiều Φ10x40 600 [5] Truyền động điện từ So với hệ thống dùng chân hoặc mái chèo, tốc độ di chuyển có thể đạt được của thiết bị tương tác thủy lực lớn hơn đáng kể. Tuy vậy, bề mặt ngoài của rô-bốt dạng xoắn vít cũng có thể gây tổn hại môi trường (thành ruột, thực quản…) khi tương tác tiếp xúc trong quá trình làm việc. Thiết bị tự di chuyển không có cơ cấu dẫn động ngoài Thiết bị tự di chuyển dạng này khai thác tương tác lực giữa thân (vỏ) và môi trường để tạo chuyển động.
Nguyên lý hoạt động của thiết bị dạng này là tạo lực quán tính tác động lên vỏ rô-bốt nhờ một khối lượng dao động bên trong. Trong khoa học, thuật ngữ "dao động" (oscillation) dùng để chỉ hiện tượng thay đổi lặp đi lặp lại nhiều lần (thường là theo thời gian). Chẳng hạn, sự tăng giảm theo chu kỳ của dân số, của tỷ giá, nhiệt độ… đều có thể gọi là dao động. Thuật ngữ "rung động" thường chỉ được sử dụng để chỉ hiện tượng dao động của chi tiết trong cơ khí hoặc của chất điểm trong cơ học.
Do vậy, có thể nói, "thiết bị tự di chuyển 11 nhờ rung động" (Vibration-driven locomotion systems) là thiết bị được dẫn động nhờ dao động liên tục của một khối lượng bên trong hệ thống. Do không cần cơ cấu dẫn động bên ngoài, toàn bộ hệ thống có thể được đóng gói trong hình dạng trơn nhẵn, dẫn đến khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, trải rộng từ công nghiệp xây dựng đến các rô-bốt nội soi. Trong công nghiệp xây dựng, máy đào ngầm ngang Moling (xem minh họa trên Hình 1. Kỹ thuật này, như được định nghĩa trong [68], "là một phương pháp không đào-lấp" dùng để lắp đặt các đường ống dẫn cáp tín hiệu, ống dẫn nước và các dạng ống khác có kích thước nhỏ.
Kỹ thuật này sử dụng các dụng cụ va đập để "nén đất tạo thành đường ống chứ không di chuyển đất ra ngoài". Các máy móc loại này có thể tạo các lỗ và đặt đường ống ngầm có kích thước thông thường từ 12 đến 100 mm, tối đa đến 250 mm. So với phương pháp đào-lấp truyền thống, kỹ thuật Moling có ưu điểm nổi trội là không phá hủy các công trình đã có trên mặt đất. Thêm nữa, nó tiết kiệm đáng kể công sức và giá thành.
Trong nhiều dự án, thời gian tiết kiệm được so với các đào-lấp truyền thống có thể là nhiều giờ, thậm chí nhiều ngày [68]. Sơ đồ hoạt động của máy đào ngầm ngang Moling Với khả năng tự di chuyển mà không cần cơ cấu dẫn động ngoài, nguyên tắc khai thác lực quán tính sinh ra bên trong cơ hệ ngày càng nhận được nhiều quan tâm, đặc biệt là để tạo các rô-bốt được đóng gói (thường được gọi là capsubot).6 [74] minh họa tóm tắt hai nguyên tắc hoạt động chính đã và đang nhận được nhiều quan tâm nghiên cứu. Các nguyên tắc hình thành dịch chuyển của cơ hệ nhờ tương tác giữa các khối lượng Nguyên tắc thứ nhất (Hình 1.6a) khai thác lực quán tính phát sinh khi khối lượng m chuyển động trong lòng khối lượng M. Lực quán tính có tác dụng tạo ra dịch chuyển của khối lượng M mang theo khối lượng m bên trong.
Nguyên tắc này có thêm các biến thể phát triển thêm (Hình 1.6c), sử dụng hai hoặc ba khối lượng dao động nhằm nâng cao hiệu quả hoặc thay đổi hướng di chuyển. Nguyên tắc thứ hai (Hình 1.6b) kết hợp rung động với va đập, như đã giới thiệu ở trên. Có thể nhận thấy, sự khác biệt chủ yếu giữa hai nguyên tắc là ở chỗ có hay không tích hợp thêm va đập: nguyên tắc thứ nhất khai thác dao động thuần túy của khối lượng bên trong mà không có lực va đập; nguyên tắc thứ hai kết hợp cả dao động và va đập. Một số kết quả nghiên cứu nổi bật của hai nhóm này sẽ được lần lượt phân tích trong các phần dưới đây.
Các nghiên cứu về thiết bị tự di chuyển nhờ rung động không có va đập Nghiên cứu được coi là công trình sớm nhất đưa ra nguyên tắc hoạt động của mô hình có thể tự di chuyển nhờ dao động gồm hai khối lượng có ràng buộc (xem Hình 1.7) do Chernous'ko đề xuất năm 2002 [6].