Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU, CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC ĐÃ CÔNG BỐ.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu. Ngày nay, Robot được nghiên cứu rất nhiều để phần nào có thể thay thế sức lao động của con người. Tuy nhiên có một vấn đề được đặt ra và đang là thách thức đối với người làm Robot, đó là phải thiết kế một con Robot leo tường, leo trần nhà để quét dọn và lau chùi (thường là vào những dịp lễ, tết cổ truyền nhà nhà phải quét ván nhện, lau la phông, lau trần nhà). Công việc này từ trước đến nay thì con người vẫn phải thực hiện bằng tay và công việc cũng khá vất vả, bởi vì khi chúng ta Hình 1.
Người giúp việc đang đứng dưới sàn nhà mà ngước mặt nhìn lên để lau cửa kính trong một tòa nhà. quét dọn trong thời gian dài thì rất mõi cổ, mõi mắt và dễ bị chóng mặt. Trước yêu cầu và thách thức như vậy thì người ta đang cố tìm ra giải pháp để thiết kế Robot có thể thay thế con người thực hiện công việc này. Về lĩnh vực làm robot thì cũng được nghiên cứu rất nhiều bởi các nhà nghiên cứu cũng như các trường cao đẳng, đại học.
Tuy nhiên, về lĩnh vực robot leo tường và trần nhà thì đang vấp phải một số khó khăn nhất định mà trở ngại lớn nhất là cơ cấu bám tường, bên cạnh đó trọng lượng robot và phương thức điều khiển cũng rất được quan tâm. Trọng lượng robot thì phải thiết kế làm sao càng gọn nhẹ càng tốt, GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng 1 HVTH: Hồ Minh Phương Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà còn phương thức điều khiển di chuyển robot thì đòi hỏi phải có những chiến lược đường đi tốt và có khả năng tránh vật cản như quạt, đèn. Nhìn chung lĩnh vực nghiên cứu robot leo tường, bám trần nhà cũng còn tương đối mới mẽ và có nhiều khó khăn thách thức.
Nếu được nghiên cứu thành công thì kết quả nghiên cứu sẽ được ứng dụng vào cuộc sống một cách thiết thực chẳng hạn như: robot thay con người để sơn tường, để lau cửa kính nhà cao tầng, để quét dọn trần nhà, để leo lên cao quan sát… Hình 1. Công nhân đang sơn tường cho một tòa nhà.2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố.1 Kết quả nghiên cứu trong nước. ROBOT Lau kính nhà cao tầng: Sở Khoa học - công nghệ vừa tổ chức nghiệm thu đề tài nghiên cứu chế tạo robot lau kính nhà cao tầng. Đề tài này do nhóm giảng viên Trường đại học dân lập Lạc Hồng thực hiện với kinh phí 120 triệu đồng.
Bắt đầu triển khai từ cuối năm 2004, sau gần hai năm thiết kế và chế tạo, phần trình diễn của nhóm tác giả tại buổi nghiệm thu đã được Hội đồng khoa học của tỉnh đánh giá thành công. Robot lau kính nhà cao tầng. Robot lau kính do nhóm giảng viên Trường ĐHDL Lạc Hồng nghiên cứu chế tạo. Huỳnh Nguyễn Hoàng 2 HVTH: Hồ Minh Phương Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà 1.2 Kết quả nghiên cứu ngoài nước.
Robot City-Climber được Jizhong Xiao and Ali Sadegh thuộc trường đại học City của Hoa Kỳ dựa trên nguyên lý nền tảng là khí động lực học đã chế tạo thành công robot leo tường có hình dáng như Hình 1. Các kiểu kế của Robot City-Climber.1 Các thông số đặc trưng của robot City-Climber [4]. Speed Payload capacity Step Endurance (9,5v NiCd) Height 10 [m/min] 4,2 [kg] 0,01 [m] 30 [min] 0,15 [m] Việc phát triển cơ cấu bám dính, đánh dấu bước phát triển đột phá của việc bắt chước động vật leo trèo. Nghiên cứu bàn chân tắc kè là nguồn cảm hứng cho việc phát triển các robot leo bao gồm phiên bản đầu Mecho-gecko được phát triển từ GVHD: TS.
Huỳnh Nguyễn Hoàng 3 HVTH: Hồ Minh Phương Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà Irobot kết hợp với UC berkely của phòng thí nhiệm PEDA, Wallbot đã được phát triển ở đại học Carnegie và gần đây hơn là Stickybot ở đại học Stanford Những robot này lấy bàn chân tắc kè làm cảm hứng và đã có những thành công nhất định trong ứng dụng leo trèo. Robot Rise lấy cảm hứng từ con dán với các móc ngón chân sắc nhọn di chuyển trên tường lỗi lõm, các loại bề mặt nhẵn thì robot này không di chuyển được, mặt khác nó di chuyển chậm do robot phải đảm bảo các chân phải bám chặt vào các gờ trên tường. Huỳnh Nguyễn Hoàng 4 HVTH: Hồ Minh Phương Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà Một robot có thể leo tường khéo léo với nhiều ứng dụng tiềm tàng đang được chế tạo ở Mỹ. ROCR là công trình sáng tạo của các chuyên gia thuộc Đại học Utah.
Robot này sử dụng hai mấu, một động cơ và một cái đuôi đong đưa như quả lắc đồng hồ để leo lên bức tường phủ thảm cao 2,4 mét trong 15 giây, như một vận động viên leo núi chuyên nghiệp hoặc một con khỉ đánh đu từ cành cây này sang cành khác. Một nhà khoa học có tên Amir Shapiro, anh đang làm việc tại trường Đại học Ben-Gurion, Israel. 4 loại robot mới do anh thiết kế đều có thể leo những bức tường thẳng đứng, thậm chí di chuyển qua các góc tường rất ấn tượng và không hề bị rơi. Con robot thứ nhất (Hình 1.8a), Shapiro lấy cảm hứng từ những chú ốc sên (khi di chuyển tạo ra các vệt nhầy), nó sử dụng keo dính lỏng để giúp bám lên mặt tường nhà.
Với chú robot thứ hai (Hình 1.8b), nó có phương thức leo trèo giống như mèo hay động vật có móng vuốt, 4 "chân" gồm các móng vuốt sắc nhọn, giúp bám chặt vào tường hay cây cối. Trong khi đó chú robot thứ 3 (Hình 1.8c), gần giống con robot thứ nhất, cũng dùng GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng 5 HVTH: Hồ Minh Phương Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà chất dính để giúp bám vào tường (chỉ áp dụng ở nơi có bề mặt nhẵn). Con robot cuối cùng (Hình 1.8d) trong bộ sưu tập robot leo tường của Shapiro có bánh là nam châm, có thể leo những bề mặt có từ tính dễ dàng.
Với 4 chú robot này, Shapiro cho biết nó là ý tưởng, nguồn cảm hứng thiết kế cho các robot trinh thám hay robot làm những nhiệm vụ đặc biệt trong tương lai.8: Bốn kiểu robot do Amir Shapiro thiết kế. Huỳnh Nguyễn Hoàng 6 HVTH: Hồ Minh Phương Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà 1.2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI. Cho tới nay, phần lớn các robot leo trèo đều sử dụng các kỹ thuật cơ bản như: Kỹ thuật từ tính được sử dụng để leo trên bề mặt kim loại. Kỹ thuật hút chân không cho những bề mặt nhẵn không lồi lõm.
Kỹ thuật làm phát sinh lực hút dựa trên nguyên tắc khí động học. Kỹ thuật mô phỏng sinh học tương tự lấy cảm hứng từ động vật leo trèo. Kỹ thuật sử dụng keo và các loại chất dính kết để bám dính. Mặc dù vậy, những công nghệ đó chỉ hiệu quả đối với một số bề mặt nhất định nên vẫn còn không ít những mặt tồn tại cần khắc phục như: không thể bám vào bề mặt xốp hoặc đầy bụi của các toà nhà.
Mặt khác, nếu sử dụng chất dính để bám vào bề mặt thì có thể để lại cho bề mặt những vết dơ mà ta không mong muốn. Trong phần luận văn này cũng sẽ tiếp bước nghiên cứu về lĩnh vực robot leo tường để dần hoàn thiện hơn nữa những mặt tồn tại hiện nay chưa được khắc phục như đã nói ở trên. Vì vậy mục đích nghiên cứu là: thiết kế và chế tạo robot có thể leo được trên tường, bám được trên trần nhà để thực hiện công việc quét ván nhện và lau chùi trần nhà.3 NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI.1 Nhiệm vụ của đề tài. Thiết kế, chế tạo được Robot có thể leo được trên tường, bám được trên trần nhà thông qua cơ cấu hút được cung cấp khí nén từ máy nén khí thông thường.
Thiết kế, chế tạo được robot có thể bám được trên nhiều loại vật liệu bề mặt khác nhau như: tường, gỗ, kim loại, kính, nhựa. Tính toán, thiết kế cơ cấu bám tường cũng như tính toán lực hút và các thông số liên quan giữa cơ cấu hút và máy nén khí. Huỳnh Nguyễn Hoàng 7 HVTH: Hồ Minh Phương Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà Tính toán, thiết kế hình dáng và kết cấu cho robot leo tường quét ván nhện. Thiết kế bộ điều khiển cho robot.2 Giới hạn của đề tài.
Robot này được thiết kế và sử dụng trong phạm vi khoảng cách từ sàn nhà lên đến trần nhà. Robot chỉ di chuyển trong các bề mặt là mặt phẳng không bao phải là mặt cong. Thời gian có hạn nên đề tài chỉ dừng lại ở việc ứng dụng kết quả nghiên cứu bộ điều khiển không dây bằng sóng RF mà không phải nghiên cứu phần tự di chuyển và tránh vật cản của robot khi di chuyển trên trần nhà.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. Từ cơ sở lý thuyết nền tảng là phương trình Bernoully ta phát thảo sơ bộ hình dáng hình học cho cơ cấu hút.
Sau đó, tiến hành thử nghiệm và ghi nhận các thông số đạt được như: lực hút, áp suất khí nén, lưu lượng khí cấp vào cơ cấu hút trong một đơn vị thời gian… Mô phỏng dòng khí đi vào và đi ra khỏi cơ cấu hút bằng phần mềm Ansys hoặc CFDesign. Qua mô phỏng để ta có thể thấy được sự phân bố vận tốc, áp suất bên trong cơ cấu hút làm cơ sở để ta thiết kế cải tiến lại. Thiết kế lại hình dáng hình học cho cơ cấu hút. Huỳnh Nguyễn Hoàng 8 HVTH: Hồ Minh Phương Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 LÝ THUYẾT VÀ ỨNG DỤNG PHƯƠNG TRÌNH BERNOULLI.1 Phương trình Bernoulli.
Khảo sát dòng không khí chuyển động bên trong ống dẫn như hình 2.1: Không khí chuyển động trong ống dẫn. Phương trình Bernoulli cho dòng khí chuyển động giữa hai mặt cắt [1].g Trong đó: p - Áp suất tĩnh, [N/m2].g v - Vận tốc chuyển động của không khí trong ống dẫn, [m/s]. Huỳnh Nguyễn Hoàng 9 HVTH: Hồ Minh Phương Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà .g - Trọng lượng riêng của không khí, [N/m³]. ρ - Khối lượng riêng của không khí, [kg/m³].
h - Độ cao tính từ mặt phẳng quy chuẩn, [m].