BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
HỒ MINH PHƯƠNG
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
ROBOT LEO TƯỜNG, TRẦN NHÀ
NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY – 605204
S K C0 0 3 6 0 9
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2012
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
HỒ MINH PHƯƠNG
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT
LEO TƯỜNG, TRẦN NHÀ
NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY – 60 52 04
Hướng dẫn khoa học:
TS. HUỲNH NGUYỄN HOÀNG
TP. Hồ Chí Minh, tháng 10/2012
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: HỒ MINH PHƯƠNG
Giới tính: nam
Ngày, tháng, năm sinh: 08/09/1983
Nơi sinh: AN GIANG
Quê quán: Ấp Trung Châu, xã Mỹ Hiệp, Chợ Mới, An Giang.
Dân tộc: kinh
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 78 - ấp Trung Châu, Xã Mỹ Hiệp, CM, AG.
Điện thoại : 0919 190 810
E-mail:
[email protected] –
[email protected]
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Giáo viên dạy nghề:
Hệ đào tạo: chính quy tập trung
Thời gian đào tạo từ 10/2001 đến 03/2005
Nơi học : Trường sư phạm kỹ thuật Vĩnh Long.
Ngành học: Cơ khí chế tạo máy.
2. Đại học:
Hệ đào tạo: liên thông
Thời gian đào tạo từ 10/ 2005 đến 11/ 2007
Nơi học (trường, thành phố): Đại học sư phạm kỹ thuật TP.HCM
Ngành học: Cơ khí chế tạo máy.
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp:
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: năm 2007
Người hướng dẫn:
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Thời gian
Nơi công tác
Trung Tâm dạy nghề tư thục Hoàn Nhật Tiến
2005 - 2007 Đ/C: Xã Phú Quới – Huyện Long Hồ – Tỉnh
Vĩnh Long
Trường CĐ nghề Đồng Tháp
2007 - 2010 Đ/C: Số 2 – Trần Phú – Khóm 2 – Phường 1
– Thị Xã Sa Đéc – Tỉnh Đồng Tháp.
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng
i
Công việc đảm nhiệm
Giảng dạy Tin học A,B,
Autocad, Lắp ráp cài đặt
máy tính.
Giảng dạy khoa cơ khí
Giảng dạy lái xe mô tô
hạng A1.
HVTH: Hồ Minh Phương
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng 10 năm 2012
(Ký tên và ghi rõ họ tên)
Hồ Minh Phương
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng
ii
HVTH: Hồ Minh Phương
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
LỜI CẢM ƠN
Xin chân thành gửi lời cảm ơn thầy TS. HUỲNH NGUYỄN HOÀNG đã tận tình
hướng dẫn và giúp đỡ, tạo nhiều điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình học viên
nghiên cứu và hoàn thiện luận văn.
Xin được gửi lời cảm ơn đến :
+ Quý Thầy Cô thuộc Khoa Cơ Khí – Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật
TP Hồ Chí Minh đã hướng dẫn và truyền thụ kiến thức, kinh nghiệm
trong thời gian học tập và thực hiện luận văn.
+ Quý Thầy Cô thuộc Phòng Đào Tạo Sau Đại Học – Trường Đại Học Sư
Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh đã quan tâm và giúp đỡ trong quá trình
học tập và thực hiện luận văn.
+ Quý Thầy Cô, Cán bộ Trung Tâm công nghệ cao thuộc Trường Đại Học
Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã tạo điều kiện thuận lợi để tiến hành gia
công, đo đạc và thực nghiệm phục vụ đề tài luận văn.
+ Thầy TS. PHAN ĐỨC HUYNH đã nhiệt tình hướng dẫn và giúp đỡ để
học viên có thể nghiên cứu tốt phần khí động học, cơ học và mô phỏng
ANSYS.
+ Các bạn lớp Cao Học CKCTM K2010B đã góp ý, giúp đỡ trong quá trình
học tập.
Do thời gian có hạn nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, học viên
mong nhận được sự góp ý quý giá của quý Thầy Cô để học viên có thể hoàn thiện
trong quá trình nghiên cứu sau này.
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng
iii
HVTH: Hồ Minh Phương
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Trong nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot di động có khả năng leo bám trên
tường, trần nhà thì những thách thức lớn nhất đặt ra là robot phải có thể bám được
khi gặp tường có vết nứt hoặc khe hở nhỏ, không làm bẩn bề mặt tường, có thể bám
được trên các loại bề mặt khác nhau. Với những thách thức đó thì những phương
pháp thường hay sử dụng như: giác hút chân không, dùng keo hoặc các chất dính
kết để bám, mô phỏng sinh học từ những loài động vật leo trèo, dùng kỹ thuật từ
tính … không thể đáp ứng được. Vì vậy mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu
thiết kế và chế tạo robot leo tường sử dụng phương pháp hút không tiếp xúc. Nội
dung chính của phương pháp này là lấy nguồn khí được cấp từ máy nén khí, qua cơ
cấu hút được thiết kế để đẩy vận tốc dòng khí lên rất cao và từ đó sẽ tạo ra vùng áp
suất thấp có khả năng hút tường. Phương pháp này có thể giải quyết được những
khó khăn và thách thức đã nêu.
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng
iv
HVTH: Hồ Minh Phương
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
ABSTRACT
In design research and manufacture of mobile robot with capable walls
climbing and ceilings is the biggest challenge is set robot must be able to cling with
the wall for cracks or small gaps, not make dirty walls, can stick on multiple type of
the different surfaces. With these challenges is the commonly used methods such as
vacuum aspiration, using glue or other adhesive to stick, simulating biological from
climbing animals, using techniques of magnet... can not respond. So the main
objective of the project is to research the design and manufacture of wall climbing
robots using non-contact suction method. The main contents of this method using
air source is supplied from the compressor, run through the suction mechanism is
designed to speed up the air flow velocity is very high and thus will create low
pressure areas can adhesion the wall. This method can solve the problems and
challenges mentioned.
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng
v
HVTH: Hồ Minh Phương
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
MỤC LỤC
Trang tựa
Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Tóm tắt
Mục lục
Danh sách các bảng
Danh sách các hình
Danh sách các đồ thị
TRANG
i
ii
iii
iv
vi
ix
x
xiii
TÓM TẮT LUẬN VĂN .......................................................................................................iv
Chương 1 ...............................................................................................................................1
TỔNG QUAN........................................................................................................................1
1.1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU, CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN
CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC ĐÃ CÔNG BỐ. ........................................................1
1.1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu.............................................................1
1.1.2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố. ....................................2
1.1.2.1 Kết quả nghiên cứu trong nước.....................................................................2
1.1.2.2 Kết quả nghiên cứu ngoài nước. ....................................................................3
1.2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI. .........................................................................................7
1.3 NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI. .................................................7
1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài. .............................................................................................7
1.3.2 Giới hạn của đề tài. ...............................................................................................8
1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. ..............................................................................8
Chương 2 ...............................................................................................................................9
CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................................................9
2.1 LÝ THUYẾT VÀ ỨNG DỤNG PHƯƠNG TRÌNH BERNOULLI. ..........................9
2.1.1 Phương trình Bernoulli. ........................................................................................9
2.1.2 Thiết kế thử nghiệm ứng dụng phương trình Bernoulli.....................................11
2.2 CƠ SỞ CHỌN PHẦN MỀM MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG CHO
THIẾT KẾ THỬ NGHIỆM. ............................................................................................11
2.2.1 Giới thiệu phần mềm Ansys 12.0 .......................................................................11
2.2.2 Kết quả mô phỏng cho thiết kế thử nghiệm........................................................12
Chương 3 .............................................................................................................................14
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng
vi
HVTH: Hồ Minh Phương
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
THIẾT KẾ CƠ CẤU HÚT ..................................................................................................14
3.1 CHỌN VẬT LIỆU.....................................................................................................14
3.2 THIẾT KẾ CƠ CẤU HÚT. .......................................................................................14
3.3 MÔ PHỎNG THIẾT KẾ Ở MỤC 3.2 VỚI PHẦN MỀM ANSYS...........................16
3.3.1 Mô hình hóa và phân tích dữ kiện bài toán........................................................16
3.3.2 Các bước tiến hành mô phỏng với phần mềm Ansys [5], [6]. ...........................17
3.4 CẢI TIẾN THIẾT KẾ CHO CƠ CẤU HÚT.............................................................21
3.4.1 Phân tích và cải tiến tính công nghệ. ..................................................................21
3.4.2 Cải tiến về kết cấu, hình dáng cho cơ cấu hút. ...................................................25
3.4.2.1 Phương án 1: thay đổi vị trí đặt miệng vòi theo phương đứng ở 2 vị trí. ...25
3.4.2.2 Phương án 2: thay đổi vị trí đặt miệng vòi theo phương ngang ở 3 vị trí....27
3.4.2.3 Phương án 3: thay đổi hình dáng miệng vòi. ...............................................29
3.4.2.4 Nhận xét, phân tích và kết luận....................................................................30
Chương 4 .............................................................................................................................33
THIẾT KẾ ROBOT LEO TƯỜNG .....................................................................................33
4.1 CHỌN HỆ THỐNG BÁNH DẪN GIÚP ROBOT DI CHUYỂN. ............................33
4.1.1 Bánh xe tiêu chuẩn (Standard Wheels)...............................................................33
4.1.2 Bánh xe đa hướng (Omnidirectional Wheels) ....................................................34
4.1.3 Một số ký hiệu về các loại bánh xe.....................................................................34
4.1.4 Những phương án bố trí hệ thống bánh dẫn và ứng dụng thực tế. .....................35
4.1.5 Phân tích và chọn hệ thống bánh dẫn cho robot leo tường. ................................38
Vậy ta có thể chọn đai có ký hiệu100-S3M-363, với thông số sau: ....................................40
4.2 CHỌN BỘ TRUYỀN ĐỘNG CHO TRỤC BÁNH XE. ...........................................40
4.3 PHƯƠNG ÁN LẮP ĐẶT CƠ CẤU HÚT VÀO THÂN ROBOT. ..........................42
4.4 CHỌN ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNG CHO TRỤC BÁNH XE. ..............................43
4.4.1 Tính công suất động cơ :.....................................................................................43
4.4.2 Tính số vòng quay và mô men xoắn cho động cơ ..............................................46
4.5 THIẾT KẾ CƠ CẤU QUÉT TƯỜNG.......................................................................47
4.5.1 Thiết kế hình dáng, kết cấu. ................................................................................47
4.5.2 Tính chọn động cơ dẫn động cơ cấu chổi quét. ..................................................48
Chương 5 .............................................................................................................................50
PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC ROBOT....................................................................................50
5.1 PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT. ......................................................50
5.2 SỰ TRƯỢT CỦA BÁNH ĐAI (XÍCH) KHI ROBOT CHUYỂN HƯỚNG. ...........54
Chương 6 .............................................................................................................................56
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng
vii
HVTH: Hồ Minh Phương
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN .............................................................................................56
6.1 CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN VÀ XÁC ĐỊNH CHỨC NĂNG CỦA BỘ
ĐIỀU KHIỂN. .................................................................................................................56
6.2 THIẾT KẾ MẠCH.....................................................................................................60
6.2.1 IC SM6136..........................................................................................................60
6.2.2 IC SM 6135.........................................................................................................61
6.2.3 Cách kiểm tra IC Phát mã lệnh (SM6136) và IC chấp hành (SM6135). ............62
6.2.4 Mạch phát sóng vô tuyến điều khiển năm chức năng. ........................................63
6.2.5 Mạch thu sóng vô tuyến điều khiển năm chức năng...........................................64
6.2.6 Hoạt động của cầu khuếch đại dùng để cấp dòng cho các motor DC.................66
6.3 LẮP MẠCH VÀ KIỂM TRA...................................................................................68
Chương 7 .............................................................................................................................69
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...........................................................................69
7.1 KẾT LUẬN................................................................................................................69
7.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN.............................................................................................70
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................71
PHỤ LỤC 1 .........................................................................................................................73
PHỤ LỤC 2 .........................................................................................................................74
PHỤ LỤC 3 .........................................................................................................................75
PHỤ LỤC 4 .........................................................................................................................76
PHỤ LỤC 5 .........................................................................................................................77
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng
viii
HVTH: Hồ Minh Phương
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG
TRANG
Bảng 1.1 Các thông số đặc trưng của robot City-Climber. ................................. 14
Bảng 2.1: Kết quả mô phỏng đĩa hút. .................................................................. 25
Bảng 3.1: Kết quả mô phỏng cơ cấu hút. ............................................................ 32
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng
ix
HVTH: Hồ Minh Phương
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH
TRANG
Hình 1.1. Người giúp việc đang lau cửa kính trong một tòa nhà. ......................... 1
Hình 1.2. Công nhân đang sơn tường cho một tòa nhà. ........................................ 2
Hình 1.3. Robot lau kính nhà cao tầng. ................................................................. 2
Hình 1.4. Các kiểu kế của Robot City-Climber. ................................................... 3
Hình 1.5. Robot stickybot...................................................................................... 4
Hình 1.6. Robot Rise. ............................................................................................ 4
Hình 1.7. Robot ROCR. ........................................................................................ 5
Hình 1.8: Bốn kiểu robot do Amir Shapiro thiết kế.............................................. 6
Hình 2.1: Không khí chuyển động trong ống dẫn. ................................................ 9
Hình 2.2: Hình dáng, kích thước của đĩa hút....................................................... 11
Hình 3.1: Cơ cấu hút được cấp khí vào từ mặt bên............................................. 16
Hình 3.2: Mô hình hóa thể hiện kết cấu bên trong cơ cấu hút. ........................... 17
Hình 3.3: Mô hình hóa lưu chất bên trong cơ cấu hút......................................... 18
Hình 3.4: Cửa sổ workbench cho phép chọn mô đun làm việc........................... 18
Hình 3.5: Chia lưới cho khối lưu chất bên trong cơ cấu hút. .............................. 19
Hình 3.6: Cửa sổ khai báo thuộc tính của chất lưu. ............................................ 19
Hình 3.7: Cửa sổ khai báo áp suất ngõ vào,
cường độ rối và đường kính thủy lực. ................................................ 20
Hình 3.8: Cửa sổ khai báo áp suất ngõ ra,
cường độ rối và đường kính thủy lực. ................................................ 20
Hình 3.9: Cửa sổ khai báo số bước lặp và giải bài toán. ..................................... 20
Hình 3.10: Trường phân bố áp suất trên mặt đối xứng. ...................................... 21
Hình 3.11: Trường phân bố vận tốc trên mặt đối xứng....................................... 21
Hình 3.12: Sản phẩm cơ cấu hút sau khi được gia công. .................................... 22
Hình 3.13: Thử nghiệm cơ cấu hút...................................................................... 22
Hình 3.14: Cấu tạo của một cơ cấu hút. .............................................................. 23
Hình 3.15: Cấu tạo của một cơ cấu hút đã được cải tiến..................................... 24
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng
x
HVTH: Hồ Minh Phương
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
Hình 3.16: Phân bố áp suất trên mặt đối xứng. ................................................... 25
Hình 3.17: Phân bố véc tơ vận tốc trên mặt đối xứng. ........................................ 26
Hình 3.18: Phương án thay đổi vị trí đặt chốt điều chỉnh theo phương đứng..... 28
Hình 3.19: Phương án thay đổi vị trí đặt miệng vòi theo phương ngang............ 29
Hình 3.20: Phương án thay đổi hình dáng miệng vòi.......................................... 31
Hình 3.21: Cơ cấu hút được sử dụng cho robot leo tường. ................................. 33
Hình 4.1: các kiểu bánh xe tiêu chuẩn................................................................. 35
Hình 4.2: biểu diễn các kiểu bánh xe đa hướng. ................................................. 36
Hình 4.3: giả định hệ thống bánh dẫn cho robot. ................................................ 37
Hình 4.4: Phân tích lực khi robot đang leo tường. .............................................. 40
Hình 4.5: Phân tích lực khi robot đang leo tường. .............................................. 42
Hình 4.6: Minh họa bộ truyền trục vít – bánh vít................................................ 43
Hình 4.7: Hình dáng thân Robot.......................................................................... 43
Hình 4.8: Mặt dưới thân Robot. .......................................................................... 43
Hình 4.9: Cơ cấu hút tường. ................................................................................ 44
Hình 4.10: Thanh kẹp cơ cấu............................................................................... 45
Hình 4.11: Thân robot được lắp cơ cấu hút......................................................... 45
Hình 4.12: Sơ đồ hệ dẫn động cho robot............................................................. 45
Hình 4.13: Sơ đồ phân tích lực khi robot đang leo tường. .................................. 46
Hình 4.14: Cơ cấu quét tường được lắp vào thân robot. ..................................... 50
Hình 4.15: Sơ đồ hệ dẫn động cho cơ cấu quét tường. ....................................... 50
Hình 5.1: Phân tích động học trên Robot. ........................................................... 54
Hình 5.2: Vận tốc bên trái và bên phải................................................................ 55
Hình 5.3: Phương chiều vận tốc trượt đai (xích)................................................. 58
Hình 6.1: Remote điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại. .................................... 60
Hình 6.2: Điều khiển từ xa bằng sóng RF tắt/mở 12 thiết bị. ............................. 62
Hình 6.3: Sơ đồ khối chức năng IC SM6136 mã hóa 5 chức năng. .................... 63
Hình 6.4: Sơ đồ khối chức năng IC SM6135 giải mã 5 chức năng..................... 64
Hình 6.5: Cách kiểm tra IC thu và phát 5 chức năng. ......................................... 65
Hình 6.6: Mạch phát sóng vô tuyến điều khiển 5 chức năng. ............................. 66
Hình 6.7: Mạch thu sóng vô tuyến điều khiển 5 chức năng. ............................... 68
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng
xi
HVTH: Hồ Minh Phương
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
Hình 6.8: Mạch khuyếch đại cấp dòng điều khiển motor quay qua trái. ............ 70
Hình 6.9: Mạch khuyếch đại cấp dòng điều khiển motor quay qua phải. ........... 71
Hình 6.10: Hình dáng và kết cấu Robot leo tường.............................................. 72
Hình 6.11: Robot leo tường ở lần chạy thử. ........................................................ 72
Hình 6.12: Robot chạy dưới mặt bàn ở lần chạy thử........................................... 72
Hình PL5.1: Biểu diễn quá trình máy nén khí bơm lên đạt áp suất 7 kgf/ cm3.. 82
Hình PL5.2: Biểu diễn quá trình xả khí qua cơ cấu hút để áp suất tuột xuống
4kg/ cm3................................................................................................................ 82
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng
xii
HVTH: Hồ Minh Phương
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
DANH SÁCH CÁC ĐỒ THỊ
ĐỒ THỊ
TRANG
Đồ thị 2.1: Phân bố áp suất trên bề mặt đĩa. ........................................................ 13
Đồ thị 3.1: Lưu lượng và lực hút sinh của cơ cấu hút với thiết kế ban đầu
và sau khi cải tiến về tính công nghệ trong kết cấu. ......................... 27
Đồ thị 3.2: Lưu lượng và lực hút sinh ra của cơ cấu hút với phương án
thay đổi vị trí đặt chốt điều chỉnh theo phương đứng. ....................... 28
Đồ thị 3.3: Kết quả mô phỏng lực hút của 3 kiểu đặt vòi theo phương ngang.... 30
Đồ thị 3.4: Kết quả mô phỏng lưu lượng của 3 kiểu đặt vòi theo phương ngang.30
Đồ thị 3.5: Lưu lượng và lực hút sinh ra của cơ cấu hút với phương án
thay đổi hình dáng miệng vòi............................................................ 32
Đồ thị 3.6: Giá trị lực hút tại những khoảng hở tường khác nhau....................... 33
Đồ thị 3.7: Giá trị lực hút tại những khoảng hở tường khác nhau....................... 34
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng
xiii
HVTH: Hồ Minh Phương
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
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.
1.1.1 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
đứng dưới sàn nhà mà ngước mặt nhìn lên để
Hình 1.1. Người giúp việc đang
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 1.2. Công nhân đang sơn
tường cho một tòa nhà.
1.1.2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố.
1.1.2.1 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
Hình 1.3. Robot lau kính nhà cao tầng.
khoa học của tỉnh đánh giá thành công.
Robot lau kính do nhóm giảng viên Trường ĐHDL Lạc Hồng nghiên cứu chế tạo.
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng
2
HVTH: Hồ Minh Phương
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
1.1.2.2 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 1.4.
Hình 1.4. Các kiểu kế của Robot City-Climber.
Bảng 1.1 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.
Hình 1.5. Robot stickybot.
Hình 1.6. Robot Rise.
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.
GVHD: TS. 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.
Hình 1.7. Robot ROCR.
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