Nghiên cứu thiết kế bánh xe mecanum dùng cho xe nâng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Trần Đình Phúc

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BÁNH XE MECANUM DÙNG CHO
XE NÂNG


CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY



LUẬN VĂN THẠC SĨ






TP. Hồ Chí Minh, Tháng 12 Năm 2013
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH
KHOA CƠ KHÍ
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHẬN XÉT LUẬN VĂN THẠC SĨ
(Nhận xét của CB hướng dẫn  Nhận xét của CB phản biện  )
Họ và tên học viên: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Đề tài luận văn: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Chuyên ngành: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Người nhận xét (họ tên, học hàm , học vị) : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Cơ quan công tác (nếu có): . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ý KIẾN NHẬN XÉT
1- Về nội dung & đánh giá thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài:
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2- Về phương pháp nghiên cứu, độ tin cậy của các số liệu:
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3- Về kết quả khoa học của luận văn:
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4- Về kết quả thực tiễn của luận văn:
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5- Những thiếu sót & vấn đề cần làm rõ (nếu có):
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6. Ý kiến kết luận (mức độ đáp ứng yêu cầu đối với LVThS; cho điểm đánh giá LV):
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7. Câu hỏi của người nhận xét dành cho học viên (nếu có):
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ngày 01 tháng 12 năm 2013
NGƯỜI NHẬN XÉT

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC


Tp. HCM, ngày 01 tháng 12 năm 2013

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Trần Đình Phúc Phái: Nam
Ngày tháng năm sinh: 15/08/1987 Nơi sinh: Đồng Nai
Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy MSHV: 11040396
Khóa: 2011

1- TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu thiết kế bánh xe Mecanum dùng cho xe nâng
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
 Tổng quan và lịch sử phát triển về bánh xe Mecanum và xe nâng
 Thiết kế và chế tạo bánh xe Mecanum tải trọng lớn
 Tiến hành đo biên dạng và quy hoạch xác định sai số biên dạng bánh xe.
 Đánh giá phân tích hiệu quả kinh tế của dạng bánh xe này mang lại.
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 07 – 07 - 2013
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30 -11- 2013
5- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Đặng Văn Nghìn

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
(Họ tên và chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

PGS.TS Đặng Văn Nghìn Ths Huỳnh Ngọc Hiệp

LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN i HVTH: TRÂN ĐÌNH PHÚC




L
L
Ờ
Ờ
I
I


M
M
Ở
Ở


Đ
Đ
Ầ
Ầ
U
U

Xã hội ngày càng phát triển, đất nước ta hiện nay
lại đang trong quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đất
nước, nhu cầu về tự động hoá trong các hệ thống công
nghiệp rất cần thiết. Tuy nhiên, mức độ tự động hoá ở
nước ta vẫn ở trình độ thấp chưa phát huy hết thế mạnh
của nó. Vì thế mà các sản phẩm làm ra đạt chất lượng
kém và năng suất thấp. Đặc biệt là ứng dụng những chiếc
xe đa hướng linh hoạt dùng trong vận tải rất đáng được
quan tâm, chúng cần những tính năng linh hoạt và tải
nặng. Với các yêu cầu cấp thiết đó, luận văn này hy vọng
sẽ là cơ sở và tài liệu tham khảo hữu ích cho các các ứng
dụng thực tế sau này.

LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN ii HVTH: TRÂN ĐÌNH PHÚC





LỜI CẢM ƠN
Trước hết em xin chân thành cảm ơn quí thầy cô trường Đại
học Bách khoa TP.Hồ Chí Minh, đặc biệt là những thầy cô
khoa Cơ Khí đã tận tình dạy bảo cho em suốt thời gian học tập
tại trường.
Em xin gởi lời biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS ĐẶNG
VĂN NGHÌN đã tận tình hướng dẫn em rất nhiều trong quá
trình thực tập tốt nghiệp và làm Luận văn. Đồng thời em xin
chân thành cảm ơn Cô PGS TS Thái Thị Thu Hà, anh Thiện,

anh Phước đã giúp em trong quá trình làm này. Luận văn tốt
nghiệp là sự tổng hợp nhiều kiến thức mà em đã được học
trong những năm học vừa qua, sự chỉ dẫn và truyền đạt của
thầy PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN không những là những
kiến thức bổ ích giúp em hòan thành Luận văn, mà sẽ cũng
giúp em rất nhiều trong công việc thiết kế sau này.
Mặc dù em đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng
tất cả sự nhiệt tình và năng lực của mình, tuy nhiên do kiến
thức còn có hạn chế nên luận văn này không tránh khỏi những
thiếu sót, rất mong nhận được sự chỉ bảo của các Thầy Cô.
Em xin chân thành cảm ơn.
TP. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2013
Học viên thực hiện
Trần Đình Phúc

LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN iii HVTH: TRÂN ĐÌNH PHÚC


Tóm Tắt
Ngày này, khoa học kỹ thuật đã đạt được bước phát triển vượt bậc. Tính cạnh
tranh về mức độ linh hoạt và khả năng ứng dụng rộng rãi của các loại thiết bị tự động
hóa phục vụ cho con người ngày càng cao. Trong bối cảnh nền công nghiệp của nước
ta đang trong quá trình phát triển để bắt kịp với trình độ công nghệ của thế giới thì các
doanh nghiệp cũng như các cơ sở nghiên cứu cần có chiến lược hợp lý.
Việc định hướng, di chuyển một chiếc xe nâng qua một không gian chật hẹp, hạn
chế là một việc khá phức tạp và khó khăn. Giải pháp cho vấn đề này đó là việc phát
triển những loại xe có khả năng di chuyển trực tiếp sang một bên, được biết đến với
tên gọi một chiếc xe đa hướng. Việc ứng dụng những chiếc xe nâng đa hướng linh

hoạt dùng bánh Mecanum đang trở nên cấp thiết cho các ứng dụng cần đến sự linh
hoạt cao như an ninh quân sự, lĩnh vực công nghiệp, lĩnh vực y tế cộng đồng, lĩnh vực
sinh hoạt cũng như lĩnh vực nghiên cứu khoa học… Chúng cho phép chiếc xe có thể
vận hành, di chuyển theo nhiều hướng khác nhau mà không dùng các phương pháp rẽ
bánh lái truyền thống của các xe otô hiện nay. Loại bánh xe này thường được dùng
cho các ứng dụng trong robot ở đó người ta cần đến khả năng cơ động cao của xe.
Đề tài “ Nghiên cứu thiết kế bánh xe Mecanum dùng cho xe nâng “ nhằm mục
đích nghiên cứu phát triển bánh xe đa hướng linh hoạt Mecanum ứng dụng cho xe
nâng tải trọng lớn.
Phần chính của luận văn đó chính là nghiên cứu các phương án tính toán thiết kế
chế tạo và đường lối thiết kế tính toán bánh xe đa hướng linh hoạt Mecanum cho xe
nâng. Bên cạnh đó, luận văn còn trình bày phần đánh giá độ chính xác biên dạng con
lăn Mecanum trong bánh xe qua thực nghiệm đo lường bằng máy đo tọa độ CMM, so
sánh sai số hình học biên dạng con lăn parabol lý thuyết và thực nghiệm bằng phương
pháp quy hoạch thực nghiệm. Đồng thời đưa ra một số hướng phát triển nghiên cứu
trong tương lai.
LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN iv HVTH: TRÂN ĐÌNH PHÚC


ABSTRACT
Nowadays, science and technology has made remarkable progress. The level of
competitive flexibility and broad applicability of the types of automation equipment
for the human are developed . In the context, our country's industry is in the process of
development to catch up the level of modern world technology, we require the
research that needs a reasonable strategy.
The orientation and movement of a forklift through a limited narrow space are a
rather complex and difficult task. Some solutions to these problems are the
development of vehicles capability of moving directly to the side, which is known as

the name a Omni-directional vehicle. The applications of Omni-directional vehicles
using Mecanum wheels have been becoming imperatively for applications that require
high flexibilities such as military field, industry field, the field of public health,
services as well as the field of scientific research They allows the vehicle to operate,
moving in variety directions without using traditional methods to turn the wheel of the
vehicle. This type of wheel is commonly used for robotic applications where people
need high maneuverability of the vehicle.
The thesis “Research and Design of Mecanum Wheel for Forklift" aims to
develop flexible Omni-directional wheel Mecanum forklift applications for heavy load
capability.
The main part of the thesis is the study of design methods of flexible Omni-
directional wheel Mecanum forklifts. In addition, the thesis also presents the profile
error assessment of the Mecanum roller in experimentally measured by coordinate
measuring machine CMM, comparison of geometric error between theory parabolic
roller and practice roller data with experimental methods. Besides, some future works
are also given in this thesis.


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN v HVTH: TRÂN ĐÌNH PHÚC

MỤC LỤC

Lời nói đầu iii
Lời cảm ơn iii
Tóm Tắt iii
Abstract iii
Mục lục v
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU .1

1. Giới thiệu tổng quan về đề tài nghiên cứu………………………………………… 1
1.1 Giới thiệu tổng quan về xe đa hướng 1
1.1.1 Những nét khái quát về xe đa hướng 1
1.1.2 Vai trò và phạm vi ứng dụng của xe đa hướng dùng bánh xe Mecanum 2
1.1.2.1 Lĩnh vực quân đội 2
1.1.2.2 Lĩnh vực công nghiệp 4
1.1.2.3 Lĩnh vực y tế, công cộng 5
1.1.2.4 Lĩnh vực nghiên cứu, giáo dục 7
1.1.2.5 Lĩnh vực dịch vụ sinh hoạt 9
1.2 Khái niệm về xe đa hướng 9
1.3 Phân loại một số loại bánh xe hiện nay 11
1.4 Tình hình nghiên cứu và hướng phát triển xe đa hướng 19
1.5 Mục tiêu, nội dung,phương pháp và ý nghĩa khoa học của đề tài nghiên cứu 22
1.5.1 Mục tiêu luận văn 22
1.5.2 Nội dung thực hiện của luận văn 23
1.5.3 Phương pháp nghiên cứu 23
1.5.4 Ý nghĩa khoa học của luận văn 23
LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN vi HVTH: TRÂN ĐÌNH PHÚC

1.5.5 Ý nghĩa thực tiễn của luận văn 23
CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC PHẦN TỬ CƠ KHÍ TRONG XE . 24
2.1 Tổng quan các công thức tính toán bánh xe Mecanum 24
2.2 Đường lối tính toán thiết kế 47
2.3 So sánh và phân tích các phương pháp tính tính toán 52
2.4 Kết quả tính toán thiết kế 53
2.5 Kết cấu bánh xe Mecanum 54
CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ SAI SỐ BIÊN DẠNG PROFILES CON LĂN
MECANUM 57

3.1 Mục đích của quá trình làm thí nghiệm 57
3.2 Nội dung trình tự làm thí nghiệm và xử lý dữ liệu 57
3.3 Mô hình thí nghiệm quá trình đo 58
3.4 Nhận xét 81
CHƯƠNG 4: MỘT SỐ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG TƯƠNG LAI 850
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO 85








CHƯƠNG 1 1

GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN HVTH: TRÂN ĐÌNH PHÚC


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1. Giới thiệu tổng quan về đề tài nghiên cứu
1.1 Giới thiệu tổng quan về xe đa hướng
1.1.1 Những nét khái quát về xe đa hướng
Những chiếc xe đa hướng (Omni-directional Vehicles) có khả năng di chuyển
với bất kì hướng nào trong không gian 2D và chúng vừa có thể xoay và tịnh tiến cùng
lúc (Hình 1.1). Hay nói một cách khác, chúng có 3 bậc tự do. Các loại xe này khác
biệt so với các loại xe truyền thống khác (điển hình như kết cấu Ackermann trong một
số loại xe máy tay ga) đó chính là khả năng di chuyển sang một bên một cách trực tiếp
mà không cần phải rẽ bánh lái như các loại xe bình thường khác.

Hình 1.1: Phương lực và hướng di chuyển của xe đa hướng 4 bánh
Bánh xe đa hướng đã được sử dụng trong lĩnh vực robot, trong các ngành công
nghiệp, quân đội quốc phòng, dịch vụ đời sống và một số lĩnh vực chuyên dụng khác
từ nhiều năm nay. Bắt nguồn ý tưởng của những bánh xe đa hướng này đến từ các
CHƯƠNG 1 2

GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN HVTH: TRÂN ĐÌNH PHÚC


công ty chế tạo hệ thống băng tải đa hướng, điển hình như hệ thống đóng gói sản
phẩm. Những loại bánh xe đa hướng này khá phổ biến trong lĩnh vực robot. Robot đa
hướng này có thể di chuyển thẳng đến mục tiêu đồng thời thực hiện động tác quay
vòng một cách chính xác. Các loại bánh xe đa hướng này còn được dùng trong các
loại xe lăn, các loại dịch xe tải hàng trong sân bay hay nhiều ứng dụng khác.
1.1.2 Vai trò và phạm vi ứng dụng của xe đa hướng dùng bánh xe Mecanum
1.1.2.1 Lĩnh vực quân đội
Tính cơ động của các loại xe đa hướng này chính là lý do mà người ta dùng
chúng trong rất nhiều các lĩnh vực ứng dụng ngoài trời, chẳng hạn như trong việc tìm
kiếm và cứu nạn, rà phá bom mìn, các ứng dụng quân đội hay những nhiệm vụ đặc
nhiệm thám hiểm hành tinh và khai khoáng.
Loại bánh xe này nói chung được dùng trong các ứng dụng robot mà ở đó
người ta cần tính cơ động cao, điển hình như NASA đã dùng chúng cho các thí
nghiệm, thám hiểm môi trường độc hại. Hình 1.2 là một dự án OmniBot [3] được phát
triển với đặc nhiệm cho việc thám hiểm môi trường độc hại. Bên cạnh đó chúng được
thử nghiệm cho các ứng dụng tự đông hóa cho các loại xe cơ động linh hoạt.

Hình 1.2: Xe đa hướng Mecanum của quân đội Mỹ
Ở những môi trường độc hại, nơi mà rất nguy hiểm cho con người, ứng dụng di
động này có thể hoàn thành việc kiểm tra bằng điều khiển từ xa, do thám bề mặt…

CHƯƠNG 1 3

GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN HVTH: TRÂN ĐÌNH PHÚC


OmniBot được vận hành bởi bốn động cơ servo liên kết với những bánh xe Mecanum.
Điều này cho phép chúng chuyển động 2 bậc tự do, đó chính là tính cơ động lớn nhất
của loại xe này. Đặc biệt chúng mang lại thành công khá lớn khi những chiếc xe này
được điều khiển bằng loại sóng radio RF. Chúng có thể truyền dữ liệu dạng video ở
khoảng cách lên tới 550m.
Công ty công nghệ Omnix đã phát triển loại bánh xe Mecanum cho quân đội
Mỹ được ứng dụng vào việc kiểm tra, giám sát ở những nơi mà con người không thể
tiếp xúc được và chúng có khả năng tải lớn trong các môi trường quân đội. Những
chiếc xe này đặc biệt có khả năng thích nghi và tính tự hành linh hoạt cao do chúng
có tính cơ động rất cao và vận hành đơn giản.
Chiếc xe MarsCruiserOne là một thiết kế khá linh hoạt nhằm ứng dụng cho
nhiệm vụ thám hiểm mặt trăng, sao hỏa cho tới các nhiệm vụ thám hiểm không gian
trong tương lại (Hình 1.3). Tính năng vượt trội của loại bánh xe này đặc biệt thích hợp
cho các ứng dụng mở, những nơi ghồ ghề đất đá, khó di chuyển. Chúng có thể di
chuyển với tốc độ 5-10Km/h. Thiết kế này bao gồm những bánh xe Hubless cho phép
những nhà thám hiểm ra,vào nhằm ứng dụng cho các nhiệm vụ ngoài trời và chúng có
thể vượt qua được nhiều loại bề mặt địa hình phức tạp, ghồ ghề, bánh xe Mecanum,
động cơ tuyến tính và hệ thống giảm chấn.

Hình 1.3: Mẫu xe MarsCruiserOne của quân đội Mỹ
CHƯƠNG 1 4

GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN HVTH: TRÂN ĐÌNH PHÚC

1.1.2.2 Lĩnh vực công nghiệp
Xe nâng công nghiệp Airtrax ATX-3000 (Hình 1.4) được dùng cho các lĩnh
vực ứng dụng mà ở đó cần tính linh hoạt cao hoặc những công việc vận chuyển ở
những con đường dài, những vị trí ra vào nhỏ, chật hẹp[3]. Sự tiện ích của ATX với
tính năng di chuyển đa hướng cho phép chúng có thể vận hành theo mọi hướng nhằm
tạo nên một ý tưởng hoàn hảo cho các công tác ở những nơi chật hẹp về không gian
mà ở đó việc di chuyển, quẹo rất khó khăn và giới hạn của khả năng điều khiển của
xe.

Hình 1.4: Xe nâng Airtrack Sidewinder
Thiết kế đặc biệt này gồm bốn bánh xe Mecanum 400x200mm được truyền
động bằng bốn động cơ độc lập có khả năng di chuyển đa hướng. Mỗi bánh xe được
truyền động bằng một hộp số dẫn động độc lập. Bánh xe này bao gồm một đùm trục
lớn, chịu tải trọng cao với 12 con lăn cao su đặc biệt. Bánh xe và các con lăn này tạo
nên dịch chuyển đa hướng cho xe tùy vào tốc độ và hướng quay của mỗi bánh xe được
xác định bằng tổng hợp lực trên mỗi bánh. Mỗi con lăn được kết cấu gồm các ổ lăn
CHƯƠNG 1 5

GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN HVTH: TRÂN ĐÌNH PHÚC


không cần bôi trơn bảo dưỡng định kì. Do các con lăn này quay một cách tự do, sự
chà sát với nền được tối thiếu hóa trong quá trình di chuyển vào rẽ hướng.
Một nghiên cứu đã được trình bày trong hội nghị các nhà khoa học và kỹ sư tổ
chức tại Hồng Kông năm 2011 đó là một thiết kế xe tự hành với cơ cấu bánh xe khá
nhỏ gọn. Hình 1.5: Sự cải tiến về loại xe đa hướng được tối ưu hóa cho các ứng dụng
vận chuyển những sản phẩm nhỏ. Mục tiêu chính đó là những chiếc xe nhỏ với giá
thành thấp. Ngoài ra loại xe này phải đáp ứng được tính đa dạng hàng hóa vận chuyển
một cách có hiệu quả kinh tế. Một ý tưởng sáng tạo đó là dùng nó để sắp xếp vận
chuyển độc lập các khối kiện hay các khay hàng. Ý tưởng này thích hợp với các ứng

dụng vận chuyển sản phẩm nhỏ như việc lưu kho AS/RS, lắp ráp, phân loại sản
phẩm Xe loại này cũng có thể chuyển động đa hướng dùng 4 bánh xe Mecanum
được truyền động bởi 4 động cơ điện độc lập. Điều đặc biệt của loại xe này đó là
chúng nhỏ gọn hơn bất kì chiếc xe nào hiện có trên thị trường Châu Âu. Kết quả là
không gian cần thiết cho công tác lưu vận chuyển có thể được tối thiểu hóa so với các
phương án khác. Đặc biệt với chiều cao khá nhỏ chúng có thể hoạt động hiệu quả cho
ứng dụng kéo, vật chuyển tự động.

Hình 1.5: Xe dùng trong vận chuyển lưu kho AS/RS
1.1.2.3 Lĩnh vực y tế, công cộng
Xe lăn trang bị đông cơ được biết đến trong việc hỗ chợ cho người lớn tuổi, tàn
tật tạo cho họ khả năng đi lại độc lập. Những lợi ích này bao gồm: tính đặc biệt cho
khả năng tự chăm sóc bản thân, làm việc, giải trí, tham gia hòa nhập các hoạt động xã
hội của người lớn tuổi, tàn tật Mục đích chính của những chiếc xe lăn này nhằm tăng
chất lượng cuộc sống cho những người lớn tuổi, những người đã và đang giảm khả
CHƯƠNG 1 6

GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN HVTH: TRÂN ĐÌNH PHÚC


năng đi lại, không có đủ sức khỏe hay khả năng vận hành những loại xe lăn không
trang bị động cơ [4]. Những người này sẽ phụ thuộc hoàn toàn vào người khác và
không thể đi lại độc lập nếu không có những loại xe lăn trang bị động cơ. Hình 1.6:
Xe lăn Omni là một xe đặc biệt nhằm đạt được 2 mục tiêu chính đó là: tạo tính
di chuyển linh hoạt trong môi trường phức tạp và giúp cho người sử dụng có được
mức độ độc lập trong di chuyển. Chiếc xe lăn này được thiết kế đặc biệt cho những
người có vấn đề khả năng sinh lý vận động. Chúng bao gồm những bánh xe Mecanum
tạo chuyển động 3 bậc tự do cho xe lăn, một cần lái, một hệ thống cảm biến bao quanh
xe lăn gồm các cảm biến siêu âm và hống ngoại với mục đích xác định những vật cản,
một hệ thống cảm biến phát hiện và xử lý tín hiệu chấn động, một hệ thống hiển thị vị

trí của xe lăn, một hệ thống ghế nâng giúp nâng người sử dụng và một bộ phận hiển
thị giúp người điều khiển lựa chọn chức năng hoạt động.

Hình 1.6: Xe lăn Omni
Một dạng thiết kế xe lăn khác cũng được phát triển bởi trung tâm xử lý thông
tin thuộc trường đại học tây Úc cho phép người sử dụng có khả di chuyển linh hoạt
bất chấp điều kiện phức tạp của bề mặt địa hình. Dự án này đã cải tiến những bánh xe
Mecanum, hệ thống pin, hệ thống truyền động, giao diện hiển thị, phần mềm điều
khiển, hệ thống giảm rung động. Kết quả nhận được đó là khả năng di chuyển chính
xác và tính năng sử dụng được đơn giản hóa và thỏai mái cho người sử dụng. Tổng
quan, dự dán này đã khá thành công và chúng sẽ mang lại nền tảng lớn cho các dự án
lớn về sau.
CHƯƠNG 1 7

GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN HVTH: TRÂN ĐÌNH PHÚC


Một ví dụ khác về xe lăn đa hướng được trang bị hệ thống quan sát điều khiển
thời gian thực và quản lý chăm sóc sức khỏe lâu dài cho những người bệnh lâu năm.
Hình 1.6b với một cần tay điều khiển được dùng để điều khiển lui, tới, quay, rẽ trái,
phải… Tốc độ tiến cực đại có thể lên tới 3km/h tương đương với tốc độ di chuyển của
người đi bộ, và tốc độ lui, dịch sang bên khoảng 1.5km/h.
1.1.2.4 Lĩnh vực nghiên cứu, giáo dục
Robot Uranus là một trong những robot di động đầu tiên ứng dụng những bánh
xe Mecanum, được thiết kế và chế tạo tại đại học Carnegie Melon. Chúng được chế
tạo với mục địch cung cấp nền tảng chung về robot di động cho các nghiên cứu về
định hướng robot trong phòng. Trên cơ sở đó, chúng vận hành một cách linh hoạt, với
sự hỗ trợ của các cảm biến và máy tính điện toán xe có thể vận hành đối với nhiều loại
tải trọng khác nhau. Chúng không có hệ thống giảm chấn nhưng có thể dùng nếu thực
sự cần thiết khi mà địa hình phức tạp. Hình 1.7 bên dưới.

Hình 1.7: Robot đa hướng Uranus
Một số nghiên cứu khác chẳng hạn như tại trường đại học Tây Úc đã phát triển
2 loại robot đa hướng di động dùng bánh xe Mecanum. Omni 1 và Omni 2 [10]. Hình
1.8 với thiết kế đầu tiên dùng những bánh xe Mecanum với các mâm bánh và khoảng
cách giữa các con lăn là khá nhỏ. Động cơ và bánh xe được lắp chặt với khung robot.
CHƯƠNG 1 8

GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN HVTH: TRÂN ĐÌNH PHÚC


Omni 1 có thể vận hành tốt trên các bề mặt bằng phẳng, nền cứng tuy nhiên chúng lại
mất đi khả năng đa hướng của mình khi di chuyển trên bề mặt mềm.

Hình 1.8: Robot bánh xe Mecanum Omni 1 và Omni 2 của trường đại học Tây Úc
Robot Omni 2 được phát triển với các con lăn được lắp đặt mà không dùng đến
mâm bánh. Động cơ và bánh xe được lắp trực tiếp hệ thống công xôn cùng với các bộ
phận giảm chấn. Nhờ những bánh xe Mecanum không mâm và bộ phận giảm chấn
này mà robot này có thể vận hành trên những bề mặt mềm ướt, địa hình không bằng
phẳng…
Nhóm nghiên cứu robot và cơ điện tử (MR2G) thuộc trường đại học Massey đã
phát triển xe AGV vượt địa hình dùng các bánh xe Mecanum kết hợp với các bánh xe
truyền thống [10]. Khi gặp bất kì thay đổi địa hình phức tạp, chúng có thể tự động
phát hiện và điều chỉnh hỗ trợ cho các bánh xe thông thường để vận hành. Một cơ cấu
bánh lái của AGV được lắp đặt cho những xe dẫn hướng tự động MEGAN.

Hình 1.9: Xe MEGAN
CHƯƠNG 1 9

GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN HVTH: TRÂN ĐÌNH PHÚC

1.1.2.5 Lĩnh vực dịch vụ sinh hoạt
Mục đích sử dụng chính của dự án CommRob nhằm giới thiệu và ứng dụng
robot thân thiện với con người. Hình 1.10 là một thiết kế của dự án này mang tên
InBot [3].

Hình 1.10: Robot InBot phục vụ mua sắm
Robot này giúp cho khách hàng tìm kiếm sản phẩm mong muốn mà không phải
tìm kiếm nhiều ở những siêu thị lớn, hay trợ giúp cho khách hàng mang sản phầm ra
quầy thanh toán hóa đơn khi mà tải trọng của hàng hóa lớn hoặc đối với người cao
tuổi. Điều đặc biệt đó là khách hàng khá thích thú với loại robot này do chúng có thể
tránh được các vật cản khi vận hành. InbBot có khả năng vận hành trên những bề mặt
khác nhau.
1.2 Khái niệm về xe đa hướng
Xe đa hướng (Omni-derectional vehicles ODVs) là một khái niệm tương đối
không mới lạ. Ilon (1975)[3] nêu rõ chi tiết việc thiết kế bánh xe đa hướng Mecanum,
cho phép chiếc xe có thể vận hành, di chuyển theo nhiều hướng khác nhau mà không
dùng các phương pháp rẽ bánh lái truyền thống của các xe otô hiện nay. Loại bánh xe
này thường được dùng cho các ứng dụng trong robot ở đó người ta cần đến khả năng
cơ động cao của xe.
Loại bánh xe Mecanum của Ilon dựa trên nguyên lý bánh xe quay với các con
lăn được sắp ở một góc nhất định vòng quay biên dạng tròn của bánh xe. Các con lăn
lệch góc này sẽ tạo ra một thành phần lực của lực vòng trên bánh xe thành 1 lực để
thực hiện việc rẽ hướng. Tùy thuộc vào chiều quay và tốc độ của các bánh mà tổng
CHƯƠNG 1 10

GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN HVTH: TRÂN ĐÌNH PHÚC

hợp lực của các lực thành phần đó sẽ sinh ra một véc tơ lực tổng với bất kì hướng
mong muốn nào và do đó có thể di chuyển xe theo một hướng của vector lực tổng mà
không cần thay đổi hướng của bất kì các bánh xe.

Hình 1.11: Bánh xe Mecanum dựa theo ý tưởng của Ilon
Mẫu thiết kế ở Hình 1.11 đó chính là bánh xe Mecanum với các con lăn được
sắp xếp theo biên dạng tròn của bánh xe và được định vị ở 2 đầu. Mẫu thiết kế này
mặc đầu có khả năng chịu tải khá cao nhưng có nhược điểm đó chính là khi tiếp xúc
với mặt phẳng nghiêng hay bề mặt gồ ghề, mép của bánh xe có thể tiếp xúc với bề mặt
thay vì là các con lăn. Do đó chúng vô tình cản trở chức năng chính của bánh xe.
Điều đó được chỉ ra ở Hình 1.12

Hình 1.12: Bánh xe Mecanum trên bề mặt nghiêng
CHƯƠNG 1 11

GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN HVTH: TRÂN ĐÌNH PHÚC


Sau đây là một ý tưởng thiết kế thay thế khác cũng được Ilon đưa ra đã giải
quyết được vấn đề đó. Hình 1.13, mẫu thiết kế với các con lăn định vị tại tâm sẽ đảm
bảm việc tiếp xúc với bề mặt làm việc tốt hơn, cho phép bánh xe hoạt động một cách
linh hoạt dễ dàng hơn trên các bề mặt gồ ghề.

Hình 1.13: Bánh xe Mecanum với các con lăn được định vị ở giữa.
1.3 Phân loại một số loại bánh xe hiện nay
Từ xưa đến nay, đã có rất nhiều công trình nghiên cứu thiết kế về các loại bánh
xe đa hướng, nhưng nhìn chung những thiết kế này có thể được chia làm 2 nhóm
chính đó chính là: những bánh xe dạng đặc biệt và những bánh xe dạng truyền thống.
Một kết cấu di chuyển của xe thường được cấu thành từ 2 hay nhiều bánh xe kết hợp
lại với nhau. Những dạng thiết kế về bánh xe đa hướng có nhiều đặc tính khác nhau về

kết cấu cơ khí, động lực học. Nhằm mục đích lựa chọn phương thức chuyển động cho
các loại xe đa hướng linh hoạt, những dạng cơ cấu sẽ được xem xét.
1.3.1 Bánh xe dạng đặc biệt
Hầu hết những dạng bánh xe này dựa trên nguyên tắc nhằm mục đích di chuyển
theo một hướng chính và bên cạnh đó cho phép chuyển động theo nhiều hướng phụ
khác.
a) Bánh xe Omni
CHƯƠNG 1 12

GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN HVTH: TRÂN ĐÌNH PHÚC


Bánh xe Omni là một ví dụ cho dạng bánh xe đặc biệt mà trong đó kết cấu bao
gồm những con lăn nhỏ thụ động, được sắp xếp trên biên dạng của một bánh xe thông
thường. Trục của các con lăn này được sắp xếp vuông góc với trục của bánh xe. Bánh
xe sẽ được điều khiển chuyển động theo cách thông thường, và khi đó những con lăn
này sẽ chuyển động một cách tự do theo hướng vuông góc với bánh xe hỗ trợ [3].
Hình 1.14.

Hình 1.14: Bánh xe Omni
Các con lăn này sẽ có tác dụng gây ra chuyển động tương đối đa hướng so với
bánh xe hỗ trợ. Việc sử dụng nhiều con lăn hay bánh xe nhỏ thụ động này sẽ có tác
dụng tăng khả năng tải hay độ cứng vững cho bánh xe nền. Tuy nhiên chính điều này
làm cho tổng trọng lượng của bánh xe sẽ tăng lên.
Những bánh xe đa hướng khá nhỏ gọn, tính thương mại cao, dễ lắp đặt và cho
thấy được tính năng hoạt động một cách rất linh hoạt. Do những con lăn nhỏ được sắp
xếp trên biên dạng bánh xe hỗ trợ một cách không liên tục nên bánh xe tổng quát này
sẽ khá nhạy dưới tác động của bề mặt không bằng phẳng của nền đường. Loại bánh xe
này nhìn chung chỉ chịu được tải trọng khá nhỏ do tiếp xúc với nền đường ở đây là
tiếp xúc điểm. Sự tiếp xúc với nền đường là không liên tục của loại bánh xe này tạo ra

rung động lớn cho bánh xe và cho xe. Vấn đề về sự tiếp xúc không liên tục có thể
được giải quyết bằng việc thay thế chúng bằng 2 hay nhiều hàng các con lăn sắp xếp
tương hỗ trên ngoại vi của bánh xe nền. Tuy nhiên đồng nghĩa với việc phức tạp hóa
khả năng điều khiển và phân tích khi mà các điểm tiếp xúc của bánh xe thay đổi giữa
CHƯƠNG 1 13

GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN HVTH: TRÂN ĐÌNH PHÚC


các hàng con lăn trong và ngoài. Nếu khoảng cách giữa các hàng con lăn là nhỏ so với
bán kính của bánh xe chính, thì vẫn đề này có thể kiểm soát được.
b) Bánh xe Mecanum
Bánh xe Mecanum cấu tạo gồm các con lăn tự do gắn trên một đùm trục đĩa
hay mâm, cũng giống như loại Omni, nhưng các con lăn này được sắp xếp theo một
góc lệch 45
0
so với đường biên ngoại vi của đùm trục [10]. Các con lăn này được thiết
kế theo một biên dạng tange trống, và được bố trí trên đường tròn ngoại vi bánh xe
theo biên dạng tròn đều. Hình 1.15.

Hình 1.15: Bánh xe Mecanum
Với việc bố trí lắp đặt 4 bánh xe Mecanum trên các góc của khung xe chữ nhật,
chuyển động đa hướng sẽ được hình thành. Dạng thiết kế này tương đối phức tạp hơn
so với loại Omni khác bởi các con lăn được bố trí theo một góc lệch nhất định, tuy
nhiên lợi điểm lớn nhất đó là khả năng tải của loại bánh xe này tăng lên đáng kể do sự
tiếp xúc với bề mặt nền đường trơn tru và ít dao động hơn.
Bên cạnh đó còn có một số dạng bánh kết cấu bánh xe Mecanum khác nhau.
Nhưng nhìn chung chúng có điểm chung đó chính là có các con lăn sắp xếp theo một
góc lệch 45
0

so với đường biên ngoại vi của đùm trục, có dạng tange trống và bố trí
trên ngoại vi theo biên dạng kết hợp tròn đều như bánh xe thông thường. Hình 1.16
biểu diễn các con lăn được bố trí dạng 2 đầu là các dùm trục đặc được gia công bằng
máy CNC. Ngoài ra các con lăn còn được thiết kế theo dạng công xôn 2 đầu (Hình
1.17). Và một dạng đặc biệt khác đó chính là các dùm trục được gia công bằng
CHƯƠNG 1 14

GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN HVTH: TRÂN ĐÌNH PHÚC


phương pháp gia công áp lực, tức là các đùm được dập hàng loạt và loại bánh này đã
được thương mại hóa (Hình 1.18) [10].

Hình 1.16: Các con lăn được bố trí dạng 2 đầu là các đùm trục

Hình 1.17: Các con lăn được bố trí dạng conson

Hình 1.18: Sản phẩm dạng dập đã được thương mại hóa
CHƯƠNG 1 15

GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN HVTH: TRÂN ĐÌNH PHÚC


c) Bánh xe trực giao
Loại bánh xe này với đặc tính cơ bản đó là một cặp hay nhiều cặp bánh xe con
rộng, dạng cầu hay tang trống được bố trí cố định sao cho các trục của chúng trực giao
với nhau. Các bánh xe con này có thể có khả năng quay một cách tự do quanh trục
riêng của chúng [3]. Chúng được cố định trên trục của một giá đỡ, giã đỡ này sẽ
quay, lăn bánh xe theo một góc nhất định khi các bánh xe con quay tự do trực giao với
nhau. Điều này tạo ra chuyển động đa hướng cho xe. Hình 1.19

Hình 1.19: Bánh xe trực giao
Một cặp bánh xe trực giao này có thể tạo ra lực kéo theo một hướng và chuyển
động tự do theo phương trực giao. Và một lần nữa, việc kết nối 2 hay nhiều cặp bánh
xe theo một góc nhất định cũng mang lại khả năng đa hướng cho xe. Một bánh xe trực
giao gồm ít chi tiết cơ khí hơn và chúng ít chịu ảnh hưởng của bề mặt không bằng
phẳng hơn so với các loại bánh xe Omni khác do bán kính các con lăn lớn hơn. Và bên
cạnh đó chúng lại chiếm nhiều không gian và cần công suất động cơ cho xe lớn hơn
bắt nguồn do moment quán tính của các chi tiết lớn.
1.3. 2 Các loại bánh xe truyền thống
a) Bánh xe bánh lái
Những chiếc xe dùng bánh xe bánh lái (Powered Castor Vehicle PCV) dựa
trên nguyên lý đó là tạo ra chuyển động chính thẳng và chuyển động quay do 2 động
cơ độc lập cấp nguồn [4]. Một motor tạo ra chuyển động quay của bánh lái, và một