Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình robot hoạt động dưới nước

Phương pháp nghiên cứu Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, phân tích đánh giá: - Nghiên cứu lý thuyết về động học Robot dưới nước, tính toán lựa ch

MỤC LỤC

Trang

MỤC LỤC 1

LỜI CAM ĐOAN 4

HỆ THỐNG KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 5

HỆ THỐNG DANH MỤC BẢNG BIỂU 6

HỆ THỐNG DANH MỤC HÌNH VẼ 6

1.Sự cần thiết của đề tài 9

2.Lịch sử nghiên cứu 9

3.Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn 10

4.Tóm tắt điểm cơ bản và đóng góp mới của luận văn 10

5.Phương pháp nghiên cứu 11

CHƯƠNG 1 12

TỔNG QUAN VỀ ROBOT DƯỚI NƯỚC TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 12

1.1.GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT DƯỚI NƯỚC 12

1.2.PHÂN LOẠI ROBOT DƯỚI NƯỚC 14

1.3.KẾT LUẬN 16

CHƯƠNG 2 17

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ ROBOT 17

2.1.NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ROBOT DƯỚI NƯỚC 17

2.2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KHUNG VỎ ROBOT DƯỚI NƯỚC 19

2.2.1.Các thành phần cơ bản của robot dưới nước 19

2.2.2.Cơ sở lý thuyết thiết kế robot dưới nước 20

2.2.3.Mô hình động lực học robot dưới nước 21

2.2.4.Thiết kế khung và vỏ của robot 25

2.2.5.Hệ thống đảm bảo sức nổi của robot 27

2.3 NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ 30

2.3.1 Cơ sở lý thuyết tính toán lựa chọn công suất động cơ 30

2.3.2 Cấu hình hệ thống đẩy của robot 32

2.3.3 Tính toán công suất của hệ thống đẩy tiến lùi 34

2.3.4.Tính toán công suất của hệ thống đẩy lặn nổi cho robot 37

2.3.5.Tính toán công suất của hệ thống đẩy ngang 38

2.3.6.Mô phỏng dòng chảy và kiểm nghiệm bền bằng phần mềm ANSYS 38

2.4.KẾT LUẬN 43

CHƯƠNG 3 44

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ROBOT 44

3.1 THIẾT KẾ MẠCH VI ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT DƯỚI NƯỚC 44

3.1.1 Giới thiệu chung về vi điều khiển Atmega 128 44

3.1.2 Thiết kế mạch điều khiển sử dụng vi điều khiển Atmega 128 47

3.2.GIAO TIẾP VỚI TAY ĐIỀU KHIỂN PS2 49

3.2.1 Phần cứng 49

3.2.2.Phương thức truyền nhận dữ liệu 49

3.3 KHỐI NGUỒN CHO MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ NGUỒN …………

3.3.1.Khối nguồn cho mạch điều khiển 50

3.3.2.Khối nguồn cung cấp cho hệ thống 50

3.4.KHỐI GIAO TIẾP VỚI MẠCH CÔNG SUẤT 51

3.5.THIẾT KẾ MẠCH CÔNG SUẤT ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 51

3.5.1.Giới thiệu về động cơ DC không chổi than 51

3.5.2.Nguyên lý mạch điều khiển động cơ DC không chổi than 52

2.5.3 Mạch đảo chiều động cơ DC không chổi than 53

3.6 THIẾT KẾ MẠCH GIAO TIẾP VỚI MÁY TÍNH QUA CỔNG RS232 54

3.6.1.Giới thiệu cổng RS232 54

3.6.2.Truyền thông nối tiếp với máy tính bằng RS232 55

3.7 KHỐI CAMERA QUAN SÁT, MÀN HÌNH HIỂN THỊ VÀ ĐÈN CHIẾU SÁNG 56

3.7.1 Hệ thống điều khiển góc quay camera 56

3.7.2 Lựa chọn camera quan sát 57

3.7.3.Màn hình hiển thị 58

3.7.4.Kết nối camera với màn hình và máy tính 58

3.7.5.Hệ thống đèn chiếu sáng 59

3.8 KHỐI MẠCH CẢM BIẾN ĐO SÂU 59

3.8.1.Đo sâu bằng sóng siêu âm 59

3.8.2.Đo sâu bằng cách đo sự chênh áp 60

3.9 LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ROBOT DƯỚI NƯỚC 61

3.9.1.Giới thiệu phần mềm CodeVisionAVR 61

3.9.2.Lập trình với CodeVisionAVR 62

3.9.3.Cấu trúc một chương trình viết bằng CodeVisionAVR 65

3.9.4.Lưu đồ thuật toán điều khiển robot 66

3.10.KẾT LUẬN 67

CHƯƠNG 4 68

CHẾ TẠO MÔ HÌNH VÀ THỬ NGHIỆM ROBOT DƯỚI NƯỚC 68

4.1 MỘT SỐ BẢN VẼ THIẾT KẾ 69

4.1.1 Bản vẽ kích thước tổng thể của robot 69

4.1.3 Bản vẽ tổng thể của robot 71

4.2 CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT 72

4.2.1 Chế tạo hệ thống phao nổi, kết hợp chứa mạch điều khiển 72

4.2.2 Vành bao chân vịt sau khi chế tạo và lắp ráp 72

4.2.3 Mạch vi điều khiển và mạch công suất 72

4.2.4 Mạch khuếch đại tín hiệu cảm biến áp suất và mạch relay đảo chiều động cơ DC không chổi than 73

4.2.4 Cáp truyền tín hiệu và bộ điều khiển trên bờ 73

4.2.5 Màn hình hiển thị LCD và LED bảy thanh hiển thị độ sâu 73

4.3.THỬ NGHIỆM 74

4.3.1 Hình ảnh thử nghiệm tại hồ Mậu lương –Hà Đông – Hà Nội 74

4.3.2 Hình ảnh thử nghiệm tại hồ Linh Đàm – Hà Nội 74

4.4 KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM 76

4.4.1 Thử nghiệm khả năng di chuyển của robot 76

4.4.2.Thử nghiệm khả năng lặn nổi của robot 77

4.4.2.Thử nghiệm khả năng ổn định khi lặn của robot 78

4.5.KẾT LUẬN 78

KẾT LUẬN 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

PHỤ LỤC 81

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên là Nguyễn Văn Tuấn học viên cao học lớp 13BCĐT.KT khóa 2013B

Chuyên ngành: Kĩ thuật Cơ điện tử

Đề tài: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình Robot hoạt động dưới nước

Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Chí Hưng

Tôi xin cam đoan các nghiên cứu, thực nghiệm trong luận văn này là do chính tác

giả thực hiện

Hà Nội, ngày 28 tháng 8 năm 2015

HỆ THỐNG KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

ROV: Robot dưới nước điều khiển có dây

AUV: Robot dưới nước tự hành không dây

W : Độ lớn sức nổi của robot

P: Tổng công suất có ích hệ thống đẩy

R : Lực cản tổng tác dụng lên robot theo phương tiến lùi

v : Vận tốc của robot

C: Hệ số sức cản hình dáng

ρ : Khối lượng riêng của nước

S: Diện tích hình chiếu của robot lên mặt phẳng vuông góc với hướng chuyển động

Reset : dùng để reset lại hệ thống

BLDC: Động cơ DC không chổi than

PWM: điều chế độ rộng xung

HỆ THỐNG DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng2.1: Thông số kích thước và thể tích của robot trong phần mềm ANSYS Bảng2.2: Thông số môi trường thử nghiệm

Bảng 2.3: Thông số điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn

Bảng 3.1: Chức năng của các chân cổng kết nối RS232

Bảng 3.2: Thông số kĩ thuật của camera được chọn

Bảng 3.3: Các thông số cơ bản của cảm biến áp suất

HỆ THỐNG DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Một số loại robot dưới nước

Hình 1.2 Robot loại AUV Teledyne Gavia

Hình 1.3 Robot loại ROV có cánh tay thao tác

Hình 2.1.Robot (ROV) sử dụng phương pháp lặn động lực của hãng Nautic

Hình 2.2 Robot (ROV) sử dụng phương pháp lặn động lực Submersible ROV Hình 2.3 Các bậc tự do của robot dưới nước

Hình 2.4.Sơ đồ kết nối cơ bản của robot dưới nước cỡ nhỏ

Hình 2.5 Các hệ tọa dùng để xác định vị trí của robot

Hình 2.6 Bản vẽ 3D thành của robot

Hình 2.6 Khung inox liên kết thành robot

Hình 2.7 Thành robot sau khi được lắp ráp với các khung inox

Hình.2.8 Phương chiều lực đẩy Acsimet và trọng lượng của robot

Hình 2.9 Bộ phận tạo sức nổi và chứa mạch điều khiển robot

Hình 2.10 Lực cản bổ sung ∆R tác dụng lên robot khi chân vịt hoạt động

Hình 2.11 Chân vịt 7 cánh của hệ thống đẩy

Hình 2.12 Cấu hình hệ thống đẩy tiến lùi

Hình 2.13 Cấu hình hệ thống đẩy lặn nổi

Hình 2.14 Cấu hình hệ thống đẩy ngang

Hình 2.15 Mối quan hệ giữa hệ số sức cản hình dáng và chỉ số Reynolds

Hình 2.16 Động cơ DC không chổi than

Hình 2.17 Tạo miền không gian lưới cho robot để thử nghiệm

Hình 2.18 Chọn môi trường thử nghiệm là môi trường nước

Hình 2.19 Khởi tạo các thông số đầu vào inlet và đầu ra outlet

Hình 2.20 Biểu đồ vận tốc theo các trục trong môi trường ANSYS

Hình 2.21 Thử nghiệm dòng chảy tác dụng vào đầu vào inlet với tốc độ 1m/s Hình 2.22 Trường lực và cấu trúc dòng chảy tác dụng lên robot

Hình 2.23 Trường dòng chảy và áp lực tác dụng lên robot tại áp suất 206568 Pa Hình 3.1 Sơ đồ chân của Vi điều khiển Atmega128

Hình 3.2 Biểu đồ khối cấu trúc của Vi điều khiển AVR

Hình 3.3 Sơ đồ khối mạch điều khiển robot dưới nước

Hình 3.4 Nguyên lý mạch điều khiển sử dụngVi điều khiển Atmega 128

Hình 3.5 Mạch điều khiển sau khi được chế tạo

Hình 3.6 Hình ảnh tay điều khiển PS2

Hình 3.7 Khối nguồn cấp điện 5V cho Vi điều khiển

Hình 3.8 Sơ đồ khối nguồn cung cấp cho hệ thống

Hình 3.9 Khối giao tiếp mạch công suất điều khiển động cơ A

Hình 3.10 Nguyên lý mạch điều khiển động cơ BLDC

Hình 3.11 Phương pháp xuất xung PWM điều khiển động cơ BLDC

Hình 3.12 Thứ tự điện áp đưa ra vào các pha của động cơ BLDC

Hình 3.13 Mạch relay điều khiển chiều quay của động cơ BLDC

Hình 3.14 Mạch công suất điều khiển động cơ BLDC sau khi được chế tạo

Hình 3.15 Thứ tự các chân của cổng đực RS232

Hình 3.16 Thứ tự các chân của cổng cái RS232

Hình 3.17 Sơ đồ các chân MAX232

Hình 3.18 Nguyên lý mạch giao tiếp sử dụng MAX232

Hình 3.19 Động cơ thay đổi góc quan sát của camera

Hình 3.20 Camera sau khi được gá đặt trên robot

Hình 3.21 Màn hình hiển thị hình ảnh truyền từ camera

Hình 3.22 Cáp truyền tín hiệu

Hình 3.23 Hệ thống đèn chiếu sáng của robot

Hình 3.24 Cảm biến áp suất MPXHZ6400A

Hình 3.25 Sơ đồ mạch nguyên lý kết nối cảm biến với Vi điều khiển

Hình 3.26 Hộp thoại New File

Hình 3.27 Hộp thoại New FileProject

Hình 3.28 Hộp thoại Confirm

Hình 3.29 Cửa sổ CodeWizard

Hình 3.30 Lưu file Project

Hình 3.31 Cửa sổ soạn thảo CodeVision

Hình 3.32 Lưu đồ thuật toán điều khiển robot

Hình 4.1 Biểu đồ tuyến tính tăng tốc và ổn định tại vận tốc 0,25m/s

Hình 4.2 Biểu đồ tuyến tính tăng tốc và ổn định tại vận tốc 0,65m/s của robot Hình 4.3 Biểu đồ tuyến tính độ sâu khi robot lặn xuống theo thời gian

Hình 4.4 Biểu đồ tuyến tính độ sâu khi robot nổi lên theo thời gian

Hình 4.5 Biểu đồ tuyến tính ổn định độ sâu tại 1,35m theo thời gian

Hình 4.6 Biểu đồ tuyến tính ổn định độ sâu tại 2,5m theo thời gian

MỞ ĐẦU

1 Sự cần thiết của đề tài

Việt Nam là một quốc gia có đường bờ biển trải dài từ bắc vào nam, với chiều dài khoảng 3260km, vùng biển rộng lớn và hệ thống đảo nhiều Hơn nữa hệ thống sông hồ rộng khắp cả nước Các hoạt động khoa học, kinh tế, xây dựng và giao thông diễn ra trên biển cũng như trên các sông, hồ ngày càng nhiều và đa dạng Ví dụ trong quá trình xây dựng các công trình cầu, cảng, dàn khoan, đường ống dẫn dầu,….bước đầu tiên là cần phải tiến hành công tác khảo sát, thăm dò dưới nước trước khi thi công; trong các nghiên cứu khoa học về môi trường nước, thám hiểm; công tác cứu hộ cứu nạn trên biển, trên sông hồ; quốc phòng an ninh,

…Các công việc đó đòi hỏi phải có những thiết bị chuyên dụng, tiên tiến để thực hiện Do đó nhu cầu nghiên cứu, làm chủ công nghệ và tiến tới thiết kế, chế tạo các robot dưới nước phục vụ cho các công tác trên là hết sức cần thiết phù với sự phát triển của khoa học Vì vậy, tác giả chọn đề tài “ Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình robot hoạt động dưới nước”

2 Lịch sử nghiên cứu

Robot dưới nước (Under-water Robot) đã được nhiều nước trên thế giới nghiên cứu và phát triển Đã có nhiều nghiên cứu thực nghiệm triển khai trong nhiều các lĩnh vực khác nhau của nền kinh tế đặc biệt là trong các lĩnh vực hàng hải, dầu khí, giao thông vận tải, nghiên cứu khoa học Các ứng dụng của Robot dưới nước đã được nhiều tác giả như: Healey và Lienard, 1993; Fossen, 1994; Jalving, 1994; Antonelli et al, 2001; Fossen, 2002; Gomes et al, 2003; ; Wilson eta, 2006;…thiết kế, thử nghiệm phát triển trong vài thập kỷ qua và đã đạt được những thành tựu đáng kể Hiện nay robot dưới nước nói riêng, thiết bị lặn nói chung ngày càng phát triển cả về quy mô, chất lượng và khả năng công tác tại các

độ sâu ngày càng lớn

Trong nước cũng đã có một số nghiên cứu về thiết bị lặn được nghiên cứu tại các trường đại học, học viên như: Học viện kĩ thuật Quân sự, Học viện Hải Quân Nha Trang, Các nghiên cứu này chủ yếu phục vụ cho lĩnh vực quân sự và

an ninh, còn về robot dưới nước ứng dụng trong công tác khảo sát, nghiên cứu

khoa học, giao thông vận tải, dầu khí hầu như chưa có nghiên cứu thực nghiệm nào cụ thể

3 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn

 Mục đích:

- Chế tạo robot dưới nước có gắn camera và các cảm biến có khả năng di chuyển trong môi trường nước nước theo các phương khác nhau như: chuyển động lặn nổi, tiến, lùi, quay trái phải, rẽ trái, rẽ phải

- Robot có thể đo độ sâu tại vị trí công tác, có thể chụp, quay phim trực tiếp truyền hình ảnh lên bờ

- Robot có thể lặn độ sâu tối đa khoảng 10m

 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

- Đối tượng nghiên cứu: Áp suất, động lực học thủy tĩnh, thuật toán điều khiển, các giao thức truyền tín hiệu

- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu động lực học thủy tĩnh, thiết kế và chế tạo

mô hình robot, nghiên cứu mạch điều khiển robot, nghiên cứu cảm biến áp suất Điều khiển robot và hiển thị các thông số độ sâu, hình ảnh

4 Tóm tắt điểm cơ bản và đóng góp mới của luận văn

Luận văn được trình bày gồm 4 chương: Chương 1 tác giả trình bày tổng quan về robot dưới nước và lịch sử phát triển của robot dưới nước cùng các nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới Chương 2 nghiên cứu lý thuyết tính toán động học robot dưới nước, lựa chọn phương án thiết kế, xây dựng phương trình vi phân chuyển động, mô phỏng bằng phần mềm ANSYS, tính toán lựa chọn công suất động cơ đẩy theo phương pháp gần đúng Chương 3 nghiên cứu lựa chọn mạch điều khiển robot, xây dựng phần mềm điều khiển hoạt động của robot, truyền hình ảnh, lập trình thu thập dữ liệu từ cảm biến áp suất để quy đổi ra độ sâu Chương 4 đưa ra kết quả thực nghiệm, xây dựng biểu đồ quan hệ giữa thời gian và vận tốc của robot, thời gian và độ sâu công tác

Đóng góp mới của tác giả: Luận văn đã xây dựng mô hình robot dưới nước

có sử dụng cảm biến áp suất để đo độ sâu, mô phỏng bằng phần mềm ANSYS và lập trình ngôn ngữ C điều khiển hoạt động của robot Các giá trị đo và hình ảnh

được hiển thị lên bàn điều khiển trung tâm thông qua truyền thông nối tiếp

5 Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, phân tích đánh giá:

- Nghiên cứu lý thuyết về động học Robot dưới nước, tính toán lựa chọn công suất động cơ, lập trình điều khiển, lưu trữ và hiển thị hình ảnh, độ sâu LED bảy thanh;

- Sử dụng phần mềm chuyên dụng vào thiết kế cơ khí, mạch điều khiển;

- Sử dụng phần mềm ANSYS trong phân tích và kiểm nghiệm bền

- Chế tạo, thử nghiệm mô hình robot dưới nước

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT DƯỚI NƯỚC TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

1.1.GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT DƯỚI NƯỚC

Robot dưới nước hay các thiết bị hoạt động dưới nước nói chung (Remotely Operated underwaterVehicle - ROV) là một loại phương tiện đặc biệt hoạt động dưới nước Từ những năm 1970, robot dưới nước đã được nghiên cứu phát triển mạnh mẽ để hỗ trợ hoặc thay thế con người làm việc ở những vùng nước sâu (dưới đáy sông, hồ, đại dương), những vùng nước ô nhiễm hoặc khi làm việc trong thời gian dài dưới nước Hiện nay, robot giúp đạt đến độ sâu mà con người không thể lặn tới được Robot dưới nước được sử dụng nhiều trong nghiên cứu khoa học, quân sự, dầu khí, hàng hải, giao thông, Trong ngành dầu khí, robot dưới nước được sử dụng để làm những công việc như kiểm tra các giàn khoan và đường ống dẫn khí, dẫn dầu Trong ngành viễn thông, robot dưới nước được sử dụng để khảo sát đáy biển trước khi đặt cáp trong lòng biển, chôn cáp và kiểm tra hiện trạng cáp truyền Trong quân sự, robot dưới nước được sử dụng để gài hoặc tìm kiếm và tháo gỡ thủy lôi, mìn hoặc phối hợp cùng con người trong việc tác chiến dưới nước Robot dưới nước còn là các thiết bị quan trọng khi cứu hộ các tàu thuyền bị đắm dưới đáy biển Trong giao thông vận tải robot dưới nước được dùng trong công tác khảo sát trước khi thi công các công trình giao thông dưới nước Trong thám hiểm và nghiên cứu biển, robot dưới nước được sử dụng để khảo sát địa hình dưới đáy biển, độ rò rỉ của các nguồn khí dưới đáy biển, theo dõi việc sinh sản của các loài cá, Trong ngành năng lượng nguyên tử các robot dưới nước cỡ nhỏ được dùng để kiểm tra các thiết bị trong nhà máy điện nguyên tử

Robot dưới nước là một thiết bị có giá thành thấp hiệu quả cao cho các nghiên cứu ngầm hoặc thăm dò đại dương Sự phát triển nhanh chóng của ngành khai thác dầu khí biển sâu đã làm bùng nổ lĩnh vực nghiên cứu các loại robot điều khiển từ xa Vào năm 1950 Hải quân Hoàng gia Oxtraylia đã sử dụng robot điều khiển từ xa “Cutlet” để thu hồi ngư lôi Vào năm 1953 Dimitri Rebikoff đã chế tạo thiết bị ngầm mang tên Poodle - một thiết bị ngầm điều khiển từ xa mang dấu ấn khởi đầu cho sự hình thành và phát triển của thiết bị ngầm nói chung và robot

dưới nước nói riêng Hải quân Mỹ đầu tư phát triển công nghệ robot điều khiển từ

xa vào đầu những năm1960 nhưng lúc đó có tên gọi là “phương tiện thu hồi được điều khiển bằng cáp” (CURV) Phương tiện này đã nâng cao được năng lực thực hiện các chiến dịch cứu hộ biển sâu và khả năng thu hồi các vật dưới đáy biển Ở một hướng khác Hải quân Mỹ đã phát triển Snoopy-một trong số những robot dưới nước quan sát kích thước nhỏ đầu tiên Phương tiện này được điều khiển bằng thủy lực từ trên trạm điều khiển và là robot dưới nước xách tay đầu tiên.Việc

bổ sung camera và các sensor khác cho loại robot này chính là sự khởi đầu cho lớp các robot loại nhỏ Vào năm 1974 trên thế giới chỉ có khoảng 20 robot dưới nước, trong đó chỉ có 17 robot được chính phủ tài trợ, trong số đó có Pháp, Anh, Phần Lan, Liên xô cũ Trải qua hơn một thập kỷ, vào đầu những năm 80 của thế kỷ trước khi nhiều lĩnh vực xa bờ mới có những đòi hỏi vượt quá khả năng lặn của con người thì các robot khiển từ xa đã trở nên vô cùng thiết yếu Sự chuyển hướng

từ đầu tư của chính phủ(85% trong giai đoạn 1953-1974) sang đầu tư của các hãng công nghiệp (96% số phương tiện) đã giúp cho số lượng robot dưới nước lên đến con số 500 vào năm 1982 Nhưng vào giữa những năm 1980 ngành công nghiệp robot dưới nước đã trải qua giai đoạn thoái trào do giá dầu sụt giảm và sự suy thoái kinh tế toàn cầu Tuy nhiên sau đó nó đã có sự tăng tốc đáng kể Ngoài những robot cỡ lớn, vì lý do cạnh tranh thị trường nên vào giai đoạn này một số nhà sản xuất đã tận dụng các tiến bộ công nghệ để thu nhỏ robot và tạo ra một lớp robot dưới nước mới nhỏ hơn, tin cậy hơn Đó là các robot lớp quan sát dưới nước Các robot có thể dễ dàng xách tay, giá thành thấp nên nhanh chóng được các tổ chức dân sự, dân sinh và các viện nghiên cứu chấp nhận Vào thời điểm này các robot dưới nước có mặt ở khắp nơi trên thế giới Không có công việc gì là quá sâu đối với robot dưới nước Hải quân Mỹ đã sử dụng thành công robot dưới nước

để chinh phục độ sâu trên 6.000m Và ít lâu sau người Nhật đã nâng con số đó lên trên 10.000m Vào cuối những năm 90 của thế kỉ XX người ta ước tính có khoảng100 nhà sản xuất các thiết bị lặn dưới nước nói chung robot dưới nước nói riêng, với khoảng 100 nhà điều khiển sử dụng chừng 3000 robot với kích thước và chức năng khác nhau Từ đó cho thấy tiềm năng ứng dụng của robot dưới nước là rất cao

Hình 1.1 Một số loại robot dưới nước

Các robot được sử dụng rộng rãi khi nghiên cứu và khai thác đại dương cũng như khi thực hiện các công việc ngầm ở các vùng nước nội địa – các sông, các hồ, v.v Hiện nay trên phạm vi thế giới đã chế tạo và sử dụng hơn 3500 robot với các chức năng khác nhau Khoảng 50% trong số chúng phục vụ cho khai thác dầu ở thềm lục địa, 35% sử dụng trong lĩnh vực quân sự, 15% phục vụ cho nghiên cứu thủy vật lý và thủy sinh, giao thông, đảm bảo cho các nghề biển, kiểm soát sinh thái, v.v…

1.2.PHÂN LOẠI ROBOT DƯỚI NƯỚC

 Phân loại theo khả năng di chuyển dưới nước của các robot được chia thành:

Robot tự hành AUV và robot điều khiển từ xa thông qua dây cáp ROV

- AUV(Autonomous Underwater Vehicle) là robot tự hoạt động được dưới nước độc lập với việc cấp nguồn, điều khiển và không đòi hỏi sự can thiệp

từ bên ngoài AUV là robot ngầm được lập trình để có thể tự dẫn đường trong nước Robot loại AUV được điều khiển và dẫn đường bằng một mạch điều khiển đặt trên robot và có thể cơ động theo ba chiều không gian, cho phép robot đi theo quỹ đạo được lập trình chính xác

Hình 1.2 Robot loại AUV Teledyne Gavia

- Robot có điều khiển thông qua dây cáp ROV (Remotely Operated underwater Vehicle) Các robot loại ROV được sử dụng rộng rãi khi nghiên cứu và khai thác đại dương cũng như khi thực hiện các công việc ngầm ở các vùng nước nội địa, các sông, các hồ, v.v Robot được nghiên cứu chế tạo trong luận văn nghiên cứu này là dạng robot loại ROV điều khiển thông qua dây cáp

Hình 1.3 Robot loại ROV có cánh tay thao tác

 Phân loại theo khả năng lặn sâu của robot:

- Robot làm việc ở độ sâu nhỏ đến 600m

- Robot làm việc ở độ sâu trung bình đến 2.000m

- Robot làm việc ở độ sâu lớn đến 6.000m

- Robot làm việc ở độ sâu tới hạn đến 11.000m

Trong nghiên cứu thực tế có thể tách ra một nhóm đủ các robot loại ROV làm việc ở độ sâu siêu nhỏ - độ sâu của thềm lục địa nhỏ hơn 150m Các Robot loại này được sử dụng cho các công việc tìm kiếm, khảo sát, kiểm tra các công trình thủy, làm sạch phần vỏ ngầm của tàu khi đang nổi,…

Phân loại theo khối lượng của robot được chia thành các loại:

- Robot siêu nhỏ (Micro): Là những robot điều khiển từ xa có trọng lượng và kích thước rất nhỏ Thông thường trọng lượng của nó nhỏ hơn 3 kg và được dùng như một thợ lặn chuyên nghiệp ứng dụng cho các công việc cụ thể

- Robot nhỏ(mini): Là robot điều khiển từ xa có khối lượng đến 100 kg

- Robot loại trung bình: Có khối lượng từ 100kg đến 600kg

- Robot loại lớn: Là loại có khối lượng lớn hơn 600kg

Trên thực tế có nhiều cách phân loại khác nhau như phân loại theo công suất, theo kết cấu hình học, theo tính năng của robot,…Robot được nghiên cứu chế tạo trong luận văn này thuộc loại robot mini có khối lượng khoảng trên dưới 5kg

Trên đây là một số cách phân loại phổ biến Hiện nay nhiều robot lặn hiện đại được thiết kế và sử dụng như là hệ thống đa mục đích, nghĩa là có khả năng thực hiện một số loại nhiệm vụ khác nhau Điều này đạt được bằng thiết kế thân dạng mở nhằm kết hợp linh hoạt chức năng của các trang bị cơ bản và khả năng thay đổi cấu trúc của robot để phù hợp cho việc giải quyết một số các nhiệm vụ khác nhau

1.3.KẾT LUẬN

Chương này đã nghiên cứu tổng quan về robot dưới nước, lịch sử phát triển của robot dưới nước, phân loại robot dưới nước Để nghiên cứu sâu hơn về robot dưới nước, chương tiếp theo sẽ trình bày về cơ sở lý thuyết tính toán, lựa chọn phương án thiết kế cơ khí robot và dùng phần mềm ANSYS trong phân tích kiểm

tra bền với các thông số vận tốc và áp suất

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

ROBOT DƯỚI NƯỚC 2.1.NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ROBOT DƯỚI NƯỚC

Định luật Acsimet: Với bất cứ một vật nào chìm trong nước, đều chịu một lực đẩy, thẳng đứng, hướng lên trên và có độ lớn đúng bằng phần chất lỏng mà vật đang chiếm chỗ

Về cơ bản, có 2 cách để làm robot xuống : lặn động lực(Dynamic diving)

và lặn tĩnh lực(Static diving) Có nhiều mô hình robot sử dụng phương pháp động lực trong khi lặn tĩnh lực được sử dụng bởi tất cả các tàu ngầm, robot ngầm quân

sự

Đối với các loại robot mini hầu hết sử dụng phương pháp lặn động lực Robot loại động lực là những robot mà vốn đã có sẵn tính nổi, chúng luôn có khả năng tự nổi Loại robot này thiết kế lặn được nhờ kết hợp tốc độ của robot cùng với các động cơ có gắn cánh quạt (chân vịt) để đẩy robot xuống dưới mặt nước, di chuyển theo các phương dưới nước Robot lặn nổi hoàn toàn do động cơ đẩy tạo

ra Tuy nhiên đối với một số loại robot thương mại có sự kết hợp giữa động cơ đẩy và bánh lái (loại này ít gặp)

Trong nghiên cứu này tác giả sử dụng phương pháp lặn động lực Việc lặn nổi của robot là do một động cơ đẩy tạo ra, tuy nhiên để áp dụng phương pháp lặn này thì việc thiết kế robot phải đảm bảo luôn ở trạng thái nửa nổi nửa chìm trong nước Vì như vậy việc lặn xuống và nổi lên mới trở nên dễ dàng

Hình 2.1 Robot (ROV) sử dụng phương pháp lặn động lực của hãng Nautic

Hình 2.2 Robot (ROV) sử dụng phương pháp lặn động lực Submersible ROV

Nếu phần nổi dương sẽ cần một công suất lặn lớn, chính vì vậy yêu cầu lý tưởng nhất là phần nổi bằng không Nghĩa là độ lớn lực đẩy Acsimet cân bằng với

Tuy nhiên việc thiết kế chế tạo robot để độ lớnF A P RB là quá lý tưởng,

trong thực tế rất khó để làm như vậy, tuy nhiên khi thiết kế chế tạo robot theo phương pháp động lực cần phải đảm bảo F A P RB.Để việc lặn và nổi được tối ưu nhất thì cần có phần nổi dương nhưng không quá lớn, đủ để khi ta đặt robot vào nước, robot không chìm mà nằm lơ lửng gần mặt nước Sau khi thiết kế theo phương pháp lặn động lực thì người ta sẽ thêm hoặc bớt các chi tiết để làm sao cân bằng được độ lớn lực đẩy Acsimet và trọng lượng của robot

2.2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KHUNG VỎ ROBOT DƯỚI NƯỚC

2.2.1.Các thành phần cơ bản của robot dưới nước

Nói chung, cấu tạo của robot cỡ nhỏ thiết kế cho các ứng dụng quan sát, nghiên cứu gồm có 3 thành phần chính gồm: Thân robot (bao gồm tất cả các hệ thống đẩy, các mạch điện tử, đèn chiếu sáng, camera ); Nguồn năng lượng và trạm điều điều khiển trên bờ; Hệ thống dây cáp chịu lực, cấp nguồn, truyền tín hiệu

Thân robot là nơi chứa các thiết bị đẩy, hệ thống tạo sức nổi, hộp đựng thiết bị điện tử, camera, hệ thống chiếu sáng, phần điện tử điều khiển robot; cơ cấu chấp hành v.v…Nguồn năng lượng và trạm điều khiển gồm hệ thống cấp điện và

hệ thống điều khiển trên bờ như: Tay điều khiển để người điều khiển robot theo quỹ đạo mong muốn, ắc quy, màn hình hiển thị, các công tắc nguồn,…

Dây cáp là các dây cáp điện có cấu trúc đặc biệt thực hiện đồng thời 3 chức năng: Cung cấp năng lượng cho robot, truyền tin và đảm bảo an toàn cho robot khi

có sự cố xảy ra

Robot khi hoạt động trong nước có 6 bậc tự do gồm các trục chuyển động

là surge, sway, heave, pitch, yaw, roll

Hình 2.3 Các bậc tự do của robot dưới nước

Năng lượng điện cung cấp cho động cơ đẩy được cung cấp qua dây dẫn Lực đẩy của động cơ là một thông số quan trọng trong việc xác định kích thước và hiệu suất của một robot Các thành phần chính khác như tải trọng, phao nổi, dây dẫn và các thành phần kết cấu cũng đóng vai trò cho hình dạng của robot Vì vậy việc thiết kế và lựa chọn số bậc tự do cần thiết tùy thuộc vào yêu cầu nhiệm vụ của robot

2.2.2.Cơ sở lý thuyết thiết kế robot dưới nước

Việc nghiên cứu các sơ đồ robot dưới nước được sử dụng với những ứng dụng nhỏ cho thấy thường robot được kết nối bởi một tàu mang hoặc bộ điều khiển ở trên trên bờ

Hình 2.4 Sơ đồ kết nối cơ bản của robot dưới nước cỡ nhỏ

Khi thiết kế và chế tạo robot dưới nước cần giải quyết các bài toán cơ bản sau:

- Xác định trạng thái đứng yên của hệ thống với tác động bên ngoài đã cho (vận tốc dòng, các lực ở các bộ tạo lực đẩy của robot v.v…)

- Xác định các lực đẩy của các bộ dẫn động của robot để dịch chuyển robot tới điểm cần đến với vận tốc dòng đã cho

- Xác định các quá trình động lực học thủy động xuất hiện trong hệ thống khi thay đổi chế độ công tác của các bộ dẫn động của robot

- Xác định các kết quả tác động đến robot do sự không ổn định của tàu mang (đối với loại robot có bộ điều khiển đặt trên tàu mang)

Để xác định tất cả các thông số trên là rất phức tạp và cần có các lĩnh vực nghiên cứu khác nhau Đối với các thiết bị lặn đặt trong môi trường nước nói chung đối với robot nói riêng, dòng chảy của môi trường nước luôn tạo ra lực trên dây cáp và robot có khuynh hướng dịch chuyển vào trạng thái cân bằng thủy động học Nếu trạng thái này lệch khỏi vị trí mong muốn của người điều khiển thì bằng việc điều khiển các động cơ dẫn động sẽ giúp robot duy trì vị trí tại điểm làm việc, hoặc di chuyển theo quĩ đạo mong muốn của người điều khiển Khi nghiên cứu thủy động lực học nói chung và khả năng di chuyển nói riêng của robot người ta

sử dụng các phương pháp lý thuyết kết hợp thực nghiệm Các phương pháp lý thuyết, dựa trên cơ sở các quy luật của cơ học vật rắn và các phương pháp số học,

được sử dụng để thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot, cho phép tính toán các đặc trưng động học và đặc trưng động lực học chuyển động của robot Các lực thủy động lực học tác động lên robot có thể được xác định trên cơ

sở các thành tựu hiện đại của cơ học chất lỏng lý thuyết, cũng như các thí nghiệm – bằng cách thử mô hình trong ống thủy động lực học, trong bể thí nghiệm v.v… Các phương pháp thực nghiệm thường là phương pháp phổ biến và là phương pháp đặc biệt, tối ưu khi thiết kế robot cụ thể Trong giới hạn nghiên cứu của luận văn tác giả chủ yếu tính toán xác định các thông số kĩ thuật chung của robot bằng thực nghiệm có sự đối chứng với cơ sở lý thuyết tính toán

2.2.3.Mô hình động lực học robot dưới nước

Đối với một robot hoạt động trong môi trường nước thì có sáu bậc tự do Vị trí của robot được xác định bởi điểm quy chiếu O và hướng quay của robot được xác định bởi 3 góc Roll – Pitch – Yaw Khi thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot ta sử dụng hai hệ tọa độ [6]

Hệ tọa độ cố định R0  ( O0y0x0z0)

Hệ tọa độ động gắn liền với robot R1 (Oyxz)

Hình 2.5.Các hệ tọa dùng để xác định vị trí của robot

Ta có vị trí của robot được xác định bởi véctơ định vị  T TT

2

1 



Với véctơ xác định vị trí điểm quy chiếu của hệ động trong hệ quy chiếu :

0 là

R 1 x y zT R3.

Véctơ chứa 3 góc Roll – Pitch – Yaw xác định hướng của robot là :2     T R3.

Gọi  T T

v v

v  1 2 là véctơ vận tốc suy rộng của robot trong hệ tọa độ R gắn liền với

robot trong đó  T

w v u

v1  là vận tốc của điểm O của robot, còn  T

r q p

v2  là vận tốc góc của robot

Đạo hàm theo thời gian véctơ định vị trong hệ tọa độ cố định ta có mối quan hệ giữa  và véctơ vận tốc v như sau:

c s

c s s s c s

s s c c c s

s c c s s s s c c s c c J

) 4 2 ( /

/ 0

0

1 ) ( 2

s c

t c t s J

Áp dụng phương trình Newton – Euler ta nhận được phương trình chuyển động của robot dưới nước có dạng như sau:

) 5 2 ( )

CRB( ) chứa các lực Coriolis và lực ly tâm

Ta có ma trận khối lượng của robot là:

)6.2(

000

00

0

00

0

000

22 21

12 11

c c

yz y

yx c

c

xz xy

x c c

c c

c c

c c

RB

I I I

mx my

I I

I mx mz

I I

I my mz

mx my

m

mx mz

m

my mz

m

M M

M M

M

Trong đó  T

c c c

0 ) (

2

~ 1

~

1

~ 3 3

c v

( v v C

v

M phu phu phu  



Trong đó M phu là ma trận khối lượng quán tính phụ, các phần tử của nó phụ

thuộc vào hình dáng và kích thước của robot Thông thường thì ma trận quán tính phụ được xác định bằng thực nghiệm Ma trận C phu (v) được tính toán từ ma trận

phu

M và véctơ v tương tự như khi tính ma trận CRB(v )

 Lực thủy động: Thường được tính toán tỉ lệ bậc một và bậc hai đối với vận tốc của robot Phương pháp này thường được dùng để mô tả lực cản này là tính lực cản riêng của từng chuyển động theo các trục Việc tính toán đều được xác định bằng thực nghiệm

Vì vậy lực cản được thể hiện qua biểu thức: D D(v)v

Trong đó D (v )là ma trận cản.Ma trận này là ma trận xác định dương

 Lực thủy tĩnh: Lực này do trọng lƣợng gây ra đặt tại trọng tâm của robot và lực đẩy Aschimet đặt tại tâm nổi của robot

mg G

r 

Trong hệ tọa độ gắn liền với robot, lực thủy tĩnh đƣợc tính nhƣ sau:

)10.2()

()

(

)()()

(

T

n n c

n

n c

f r f

r

f f

J f

mg

J

0

0)()

(,0

0)()

Bu





Trong đó B  R6p

là ma trận hằng số phụ thuộc vào việc bố trí các cánh

quạt trên thân của robot Ma trận B này còn gọi là ma trận phân phối lực, vì

khi biết lực điều khiển  ma trận B này sẽ đƣợc dùng để tính lực đẩy cho

từng hệ động cơ đẩy ui.Tuy nhiên nếu robot điều khiển có dây thì

()()(v v D v v g Bu C

v

Trong đó:

)()

()

(

M M

Nếu dùng phép biển đổi

()

,()

,()

M            Trong đó:

(

)()()

(

)()()()

,(

)()()()

()()

,(

)()()

(

1

1 1

1

T T T T T

J

g J

g

J v D J

v D

J J MJ

v C J

v C

MJ J

2.2.4.Thiết kế khung và vỏ của robot

Thân của robot giúp liên kết và cố định các thành phần cơ khí, điện, hệ thống thiết bị đẩy, camera, cảm biến, đèn chiếu sáng, Thân của robot thông thường gồm khung robot, hộp chịu được áp suất cao (mức áp suất phụ thuộc vào

độ sâu công tác của robot, để chứa các thiết bị điện tử, camera, các cảm biến, các động cơ dẫn động,…) và hệ thống đảm bảo sức nổi cho robot Thân của robot được làm từ nhiều vật liệu khác nhau như kim loại, composite, ống nhựa, Nói chung vật liệu được sử dụng để chế tạo thân robot được chọn sao cho có độ bền lớn nhất, trọng lượng nhỏ nhất vì trọng lượng có liên quan đến sức nổi, mà sức nổi

là một trong những vấn đề quan trọng nhất khi thiết kế các loại robot cỡ nhỏ

Không có qui định chung cho kích thước cũng như hình khối của robot Các kích thước và hình khối được chọn dựa trên các tiêu chí sau: Trọng lượng của robot trong không khí, thể tích của các thiết bị đặt trên robot Thân của robot có hai kiểu kết cấu là kiểu thủy động và kiểu khung Ngoài ra trên thân của robot có đặt các kết cấu tránh các va đập cơ học có thể ảnh hưởng đến robot Việc tính toán sức bền cho thân robot dựa vào kiểu cấu trúc của thân Tác giả lựa chọn thiết kế robot kết cấu kiểu khung

Trong luận văn này tác giả sử dụng vật liệu nhựa mica dầy 5mm để làm thành robot Vì nhựa mica nhẹ dễ gia công tạo hình Thành robot được gia công bằng phương pháp cắt laser, phương pháp này hiện nay được sử dụng nhiều trong việc gia công các chi tiết dạng tấm cho độ chính xác cao

Hình2.6.Bản vẽ 3D thành củarobot

Thành robot được liên kết với nhau bằng 2 khung inox loại hộp mỏng dầy 0.8mm, mục tiêu vừa phải nhẹ vừa phải đảm bảo được độ cứng Đồng thời các khung inox này còn có tác dụng là giá đỡ để lắp các động cơ của hệ thống đẩy

Hình 2.6 Khung inox liên kết thành robot

Hình 2.7 Thành robot sau khi được lắp ráp với các khung inox

Sau khi nghiên cứu, thực nghiệm tác giả đưa ra các lưu ý khi thiết kế kết cấu robot loại mini: kết cấu càng đơn giản càng tốt; trọng lượng ở thấp, tâm nổi ở cao để tạo độ ổn định; đảm bảo tính đối xứng của việc đặt các động cơ đẩy để tránh xảy ra hiện tượng lệch thân robot Robot sau khi lắp ráp các khung niox, thành và gá đặt các động cơ, đèn chiếu sáng khối lượng kiểm tra được là 3,54kg

2.2.5.Hệ thống đảm bảo sức nổi của robot

Hệ thống đảm bảo sức nổi của robot cũng là một hệ thống rất quan trọng vì

nó đảm bảo sức nổi, đảm bảo độ ổn định của robot Robot được thiết kế sao cho tâm nổi ở trên cao còn trọng tâm ở thấp để robot hoạt động ổn định theo hướng trục thẳng đứng và trục ngang nhằm ổn định hướng cho robot Chức năng của hệ thống nổi của robot là chống lại tác động của sức nổi âm của các vật liệu nặng hơn nước trên robot (khung, động cơ, cảm biến, mạch điều khiển v.v…) Mục tiêu hầu hết khi thiết kế các loại robot cỡ nhỏ là đạt được sức nổi gần bằng không Việc tính toán thiết bị tạo sức nổi dựa trên cơ sở cân bằng giữa độ lớn lực đẩy Acsimet

FA:độ lớn lực đẩy Acsimet, N

PRB :trọng lượng của robot, N

Hình.2.8 Phương chiều lực đẩy Acsimet và trọng lượng của robot

Khi chế tạo hệ thống tạo sức nổi cho robot thì tùy vào kích thước robot mà người ta có thể chọn các phương pháp tạo sức nổi cho robot như: sử dụng phao, sử dụng bọt nổi, sử dụng thiết bị bù sức nổi, sử dụng công nghệ bơm nước vào ra các khoang chứa Như ở mục lựa chọn khung và vỏ robot, khối lượng của robot sau khi lắp ráp khung và thành robot, động cơ, đèn là 3,54kg

Theo như tính toán sơ bộ cộng thêm các thành phần như: Hộp chứa mạch đồng thời là hộp tạo sức nổi, mạch điều khiển, động cơ xoay camera, camera, dây điện, vành bao chân vịt thì khối lượng của robot trong khoảng 5kg – 6kg nên việc chọn hệ thống tạo sức nổi cũng đơn giản là dùng ống nhựa tròn có sẵn trên thị trường sau đó chế tạo các mặt bích để làm kín tạo sức nổi cho robot Ngoài ra bộ phận tạo sức nổi này sẽ có thêm nhiệm vụ là hộp chứa mạch điều khiển, mạch công suất, mạch Relay, mạch khuếch đại,…

Lựa chọn thiết kế bộ phận tạo sức nổi và chứa mạch có hình dạng như sau:

Hình 2.9 Bộ phận tạo sức nổi và chứa mạch điều khiển robot

Thông số hệ thống tạo sức nổi gồm: 2 ống nhựa loại PVC Ф90, dầy 3mm

Ta có lực đẩy Acsimet tác dụng lên robot bao gồm lực tác dụng lên hệ thống tạo sức nổi và các thiết bị khác được tính gần đúng như sau:

Ta có trọng lượng riêng của nước là :γ= 10.000 N/m³

Thể tích gần đúng của cả robot được xác định bằng biểu thức (2.16) sau:

)16.2(2

2V bancau V ong V phu

Ta có các thể tích thành phần như sau:

)19.2(

)18.2(

)17.2(

.322 3

khung vanhbao

camera thanhtau

phu ong bancau

V V

V V

V

h r V

r V

V phu  r: Bán kính của ống (bán kính của bán cầu), m h: Chiều dài của ống, m

Thay số ta có:

3 3

000190,

0)045,0.(

14,3.3

2

m

3 2

00213,

0335,0.)045,0.(

14,

300624,000160,000426,000038,000160,000213,0.2000190,0

là tổng độ lớn trọng lượng của robot sau khi hoàn thiện phải nhỏ hơn và sấp xỉ bằng 62,4N Tuy nhiên khi thiết kế để đạt được chính xác trọng lượng robot là khá khó khăn nên sau khi chế tạo thử nghiệm có thể thêm, giảm bớt khối lượng của các thiết bị gắn lên robot để làm sao sức nổi của robot W dương nhưng không đáng kể

Sau khi hoàn thiện robot chưa kể khối lượng dây cáp thì khối lượng của robot là 5,82kg

Vậy độ lớn trọng lượng của robot là: P RB 5,82.1058,2N

Như vậy ta có sức nổi của robot là: W F A P RB 62,458,24,2N

Sức nổi của robot vẫn đảm bảo dương, độ lớn không đáng kể Như vậy việc lựa chọn hệ thống phao nổi đã đáp ứng được yêu cầu đặt ra khi thiết kế robot lặn

2.3.NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ

2.3.1 Cơ sở lý thuyết tính toán lựa chọn công suất động cơ

Chuyển động thẳng đều của robot diễn ra dưới tác dụng của lực chuyển động TE bằng và ngược hướng với lực cản R

TE  R ( 2.20)

Ở các loại robot lực chuyển động TEcó tên gọi là lực kéo (lực đẩy có ích), được tạo ra nhờ cơ năng của hệ thống động lực chân vịt Khi robot chuyển động với vận tốc v, lực kéoT E thực hiện một công trong một đơn vị thời gian bằng PE

và được gọi là công suất có ích của hệ thống đẩy Công suất có ích PE(công suất

dẫn động robot) được dùng cho việc khắc phục lực cản lên robot và bởi vậy bằng công suất dẫn động robot

Hiệu suất của hệ thống đẩy tiến lùi robot được đặc trưng bằng hệ số lực đẩy:

D

E D

Trong đó PDlà công suất của chân vịt

Hệ số này xác định giá trị tổn thất thuỷ động lực học trong tổ hợp lực đẩy

có sự tương quan giữa kết cấu của vỏ robot và hệ dẫn động Hệ dẫn động sử dụng trên robot hoạt động theo nguyên tắc là đẩy một khối lượng nước về phía ngược với hướng chuyển động của robot

Chân vịt robot có 2 loại là bước cố định hay biến bước Thường đối với robot loại nhỏ là loại chân vịt có bước cố định kiểu cánh Chân vịt loại kiểu cánh hiệu quả cao, sự đơn giản về mặt cấu trúc và chuyển công suất động cơ thành lực đẩy, thông dụng trên thị trường

 Chọn chân vịt: Khi chân vịt quay sẽ tạo ra sự chênh lệch áp suất giữa mặt đẩy

và mặt hút, nhờ có sự chênh lệch này mà tạo nên lực đẩy dọc trục gọi là lực đẩy của chân vịt Số cánh chân vịt được lựa chọn trên cơ sở đảm bảo hiệu suất cao phụ thuộc vào vòng quay, đường kính và tỷ số mặt đĩa

Lực đẩy T tạo bởi chân vịt luôn lớn hơn lực lực kéo B T do luôn có lực cản bổ E

sung ∆R (lực hút vào) khi chân vịt hoạt động

Hình 2.10 Lực cản bổ sung ∆R tác dụng lên robot khi chân vịt hoạt động

Công suất đẩy P của chân vịt luôn lớn hơn công suất có ích D P do tổn thất E

thủy động lực học trên chân vịt, cũng như tổn thất gây ra do sự tác động lẫn nhau giữa chân vịt và vỏ robot

Việc tính toán thiết kế chân vịt hết sức phức tạp và chi phí cao nên tác giả chọn các loại chân vịt có sẵn được bán trên thị trường Đối với các thiết bị ngầm, robot dưới nước thì hoàn toàn chưa có một tài liệu hướng dẫn cụ thể nào cho việc chọn các thông số cơ bản của chân vịt

Các thông số đặc trưng hình học cơ bản của chân vịt được chọn là:

Đường kính D = 70mm, bước B = 51,4°

Đường kính ổ trụcd =30mm ( H rH : Bán kính) Chiều dài cánhR  rH = 20 mm

Hình 2.11 Chân vịt 7 cánh của hệ thống đẩy

2.3.2 Cấu hình hệ thống đẩy của robot

Để robot di chuyển được trong môi trường nước là nhờ hệ thống đẩy gắn trên robot Dạng của thiếtbị đẩy, cấu hình của hệ thống đẩy tác động rất lớn đến thiết kế của robot Hệ thống đẩy của robot có thể chia ra các kiểu khác nhau: thủy lực, khí, điện và ống phản lực Các kiểu khác nhau này được phát triển cho phù hợp với kích thước của robot và chức năng nhiệm vụ cần thực hiện của robot Mục tiêu chính của việc thiết kế hệ thống đẩy cho robot là đạt được tỷ số cao giữa lực kéo và công suất đầu vào Sức kéo càng mạnh thì robot càng có khả năng hoạt động trong các dòng chảy mạnh hơn, nhờ đó miền hoạt động của toàn bộ hệ thống của robot mở rộng hơn

Có rất nhiều cách để sắp đặt vị trí các động cơ đẩy để giúp cho robot hoạt động theo các phương khác nhau trong mặt phẳng ngang và mặt phẳng đứng Tính

cơ động của robot đạt được thông qua sự sắp đặt vị trí và thay đổi tốc độ của các động cơ đẩy Với sự sắp xếp tối ưu các động cơ đẩy thì số động cơ đẩy có thể bằng số yêu cầu chuyển động của robot Trong trường hợp hướng của các động cơ đẩy không thay đổi trong quá trình hoạt động, đối với các robot có bốn động cơ đẩy thì ta có thể bố trí chúng sao cho robot có thể chuyển động tiến lùi, lặn nổi, rẽ trái, rẽ phải và quay sang trái, quay sang phải Đôi khi có thể tăng số lượng động

cơ đẩy nhưng các hướng chuyển động của robot cũng không tăng lên vì còn tùy thuộc vào việc lắp động cơ đẩy vào vị trí nào trên robot

Trong luận văn nghiên cứu này tác giả chọn cấu hình đẩy gồm 4 động cơ đẩy được đặt trên robot ở các vị trí như sau

Hình 2.12 Cấu hình hệ thống đẩy tiến lùi

Hình 2.13.Cấu hình hệ thống đẩy lặn nổi

Hình 2.14.Cấu hình hệ thống đẩy ngang

Với cách bố trí các động cơ đẩy như trên với chuyển động tiến lùi có 02 động cơ đẩy (kết hợp rẽ trái, rẽ phải), chuyển động lặn nổi có 01 động cơ đẩy và chuyển động xoay có 01 động cơ đẩy

Theo đúng quy trình thì để tính toán công suất cho thiết bị đẩy chúng ta phải tính toán lực cản theo các công thức rất phức tạp Tuy nhiên việc tính toán chính xác lực cản là khó khăn ngay cả khi có những phương tiện đo đạc tinh vi nên trong thực tế thiết kế người ta thường tính gần đúng Dưới đây tác giả trình bày một phương pháp gần đúng để tính toán sức kéo (hay sức cản) và từ đó tính được công suất tối thiểu cần thiết cho robot hoạt động

Chức năng cơ bản nhất của robot là di chuyển thân robot đến vị trí làm việc Đối với một robot dưới nước hai thành phần lực kéo (lực cản) chủ yếu là lực kéo phương tiện và lực kéo dây cáp Lực kéo thân robot là tổng của hai loại lực kéo này Lực kéo được tính riêng cho từng chuyển động thành phần Sau khi tính

được lực kéo ta tính được công suất và từ đó chọn lựa được động cơ đẩy cho các chuyển động thành phần

2.3.3 Tính toán công suất của hệ thống đẩy tiến lùi

Công suất của hệ thống đẩy tiến lùi và lực cản liên hệ với nhau theo công thức:

) (

Tổng công suất có ích thắng lực cản tác dụng lên robot và công suất để thắng lực cản của dây cáp tính được nhân với hệ số nào đó (tính đến ảnh hưởng của dòng chảy của nước khi hoạt động thực tế và ảnh hưởng của việc mô hình hóa hình dạng của robot) ta được công suất cần thiết Ta giả thiết robot có khả năng chuyển động với vận tốc lớn nhất là 1 m/s

) 23 2 (

5 ,

Chúng ta biết rằng hệ số sức cản hình dáng phụ thuộc vào dạng hình học của robot Sức cản hình dáng và chỉ số Reynolds liên hệ với nhau theo biểu đồ hình 2.5, [7]

Hình 2.15 Mối quan hệ giữa hệ số sức cản hình dáng và chỉ số Reynolds

Trong đó hệ số sức cản đối với vật thể có dạng hình trụ hai đầu phẳng (đường sinh song song hướng chuyển động) là 1,17; đối với khối lập phương là 1,05; đối với khối hộp chữ nhật là 2,05

Ta có diện tích hình chiếu của robot xuống mặt phẳng vuông góc với phương chuyển động bao gồm:

2 2

00636,

0)045,0.(

14,

2 2

00322,

0)032,0.(

14,

20250,0

2

S phu  dongco thanhtau  khac

2

0410,00250,000322,

000636,

0.2

S  ong  camera phu    

Theo (2.22) thay số ta có công suất kéo thân robot là:

W

S v C v

Đối với robot được điểu khiển thông qua dây cáp thì cần tính cả lực cản của dây cáp vì trên thực tế lực cản này cũng không hề nhỏ Và được tính theo công thức:

) 23 2 (

5 ,

Trong trường hợp dây cáp có diện tích đặc trưng Scap bằng đường kính

dây cáp nhân với chiều dài hình chiếu dây cáp trong mặt phẳng vuông góc với hướng chuyển động Hệ số C đối với dây cáp: đối với dây cáp không ghép đều 1,2; đối với dây cáp gần đều là (0,5-0,6); đối với dây cáp ghép đều là (0,1-0,2) Do vậy ghép đều dây cáp là một giải pháp rất hiệu quả để thu nhỏ công suất của hệ thống đẩy

Trong luận văn này tác giả chọn dây cáp là dây cáp ghép đều nên

P E  E1 E * 23,9857,8531,835

Tuy nhiên trong thực tế công suất để robot hoạt động với vận tốc là 1m/s lớn hơn nhiều so với giá trị công suất tính được Vì vậy ta có công suất của hệ động lực sau khi tính đến các tổn thất khác là:

chọn là 120W tại tốc độ 4000 vòng/phút cho kết quả tốt nhất Như vậy tổng công suất của hệ thống đẩy tiến lùi là 240W

Hình 2.16 Động cơ DC không chổi than

Thông số động cơ được chọn:

Tốc độ quay max: 18000 vòng/phút Dòng liên tục: 50A

Dòng max: 60A Điện áp đầu vào: 8 - 24V Công suất tại tốc độ 4000 vòng là : 120W

2.3.4.Tính toán công suất của hệ thống đẩy lặn nổi cho robot

Đối với hệ thống lặn nổi tác giả dùng một động cơ duy nhất đặt tại tâm của robot Do robot được thiết kế nửa chìm nửa nổi nên việc lặn xuống tương đối dễ dàng vì lực FA gần bằng với PRB, chúng ta chỉ cần lực kéo của động cơ (Tdongco)

vừa đủ để PRB  Tdongco  FA thì robot có thể lặn

Thông số động cơ được chọn để tạo lực đẩy lặn nổi cho robot:

Dòng liên tục: 50A Dòng max: 60A Điện áp đầu vào: 8 - 24V Công suất tại tốc độ 4000 vòng là : 120W

Sau khi thử nghiệm thực tế với động cơ được chọn đáp ứng tốt việc lặn nổi của robot khi hoạt động trong môi trường nước

2.3.5.Tính toán công suất của hệ thống đẩy ngang

Đây là hệ thống đẩy phụ giúp robot xoay trái, xoay phải dễ dàng hơn nên việc chọn công suất động cơ cũng đơn giản là ta chọn 01 động cơ DC không chổi than có công suất đúng bằng động cơ đẩy lặn nổi

Thông số động cơ được chọn để tạo lực đẩy xoay trái, xoay phải:

Dòng liên tục: 50A

Dòng max: 60A

Điện áp đầu vào: 8 - 24V

Công suất tại tốc độ 4000 vòng là : 120W

Kết quả sau khi thử nghiệm cho thấy với động cơ có thông số kĩ thuật như trên đáp ứng được việc hỗ trợ xoay robot sang trái hoặc sang phải

2.3.6.Mô phỏng dòng chảy và kiểm nghiệm bền bằng phần mềm ANSYS

2.3.6.1.Thử nghiệm về dòng chảy

Robot được thiết kế bằng phần mềm Solidwork 2013 Sau khi thiết kế các bản vẽ chi tiết, thành lập bản vẽ lắp được mô hình robot ở dạng Assembly với đuôi là GIS Từ file.GIS xuất sang môi trường phần mềm ANSYS 15.0 để mô phỏng về dòng chảy và kiểm nghiệm bền của các chi tiết của robot tại độ sâu dưới mặt nước là 10m

Hình 2.17 Tạo miền không gian lưới cho robot để thử nghiệm

Hình 2.18 Chọn môi trường thử nghiệm là môi trường nước

Bảng2.1:Thông số kích thước và thể tích của robot trong phần mềm ANSYS

Model (A3) > Geometry > Parts

Coordinate System Default Coordinate System

Reference Frame Lagrangian

Material

Fluid/Solid Defined By Geometry (Solid) Defined By Geometry (Fluid)

Bounding Box

Length X 0,462 m 0,562 m Length Y 0,26827 m 0,36827 m Length Z 0,295 m 0,395 m

Properties

Volume 5,9239e-003 m³ 7,5828e-002 m³ Centroid X 0,18124 m 0,1654 m Centroid Y -2,5661e-002 m -8,4624e-002 m Centroid Z -0,14266 m -0,14249 m

Hình 2.19 Khởi tạo các thông số đầu vào inlet và đầu ra outlet

Bảng2.2:Thông số môi trường thử nghiệm

Hình 2.20 Biểu đồ vận tốc theo các trục trong môi trường ANSYS