Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng iv HVTH: Hồ Minh Phương
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.
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng v HVTH: Hồ Minh Phương
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.
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà

GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng vi HVTH: Hồ Minh Phương
MỤC LỤC
Trang tựa TRANG
Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân i
Lời cam đoan ii
Lời cảm ơn iii
Tóm tắt iv
Mục lục vi
Danh sách các bảng ix
Danh sách các hình x
Danh sách các đồ thị 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
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng vii HVTH: Hồ Minh Phương
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
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng viii HVTH: Hồ Minh Phương
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
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng ix HVTH: Hồ Minh Phương
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
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng x HVTH: Hồ Minh Phương
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
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng xi HVTH: Hồ Minh Phương
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
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng xii HVTH: Hồ Minh Phương
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/ cm
3
82
Hình PL5.2: Biểu diễn quá trình xả khí qua cơ cấu hút để áp suất tuột xuống
4kg/ cm
3

82
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng xiii HVTH: Hồ Minh Phương
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
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng 1 HVTH: Hồ Minh Phương
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
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,
Hình 1.1. Người giúp việc đang
lau cửa kính trong một tòa nhà.
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng 2 HVTH: Hồ Minh Phương
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…
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
khoa học của tỉnh đánh giá thành công.
Robot lau kính do nhóm giảng viên Trường ĐHDL Lạc Hồng nghiên cứu chế tạo.
Hình 1.2. Công nhân đang sơn
tường cho một tòa nhà.
Hình 1.3. Robot lau kính nhà cao tầng.
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng 3 HVTH: Hồ Minh Phương
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.
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
Hình 1.4. Các kiểu kế của Robot City-Climber.
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng 4 HVTH: Hồ Minh Phương
 Irobot kết hợp với UC berkely của phòng thí nhiệm PEDA, Wallbot đã được phát
triển ở đại học Carnegie và gần đây hơn là Stickybot ở đại học Stanford
Những robot này lấy bàn chân tắc kè làm cảm hứng và đã có những thành
công nhất định trong ứng dụng leo trèo.
Robot Rise lấy cảm hứng từ con dán với các móc ngón chân sắc nhọn di
chuyển trên tường lỗi lõm, các loại bề mặt nhẵn thì robot này không di
chuyển được, mặt khác nó di chuyển chậm do robot phải đảm bảo các chân
phải bám chặt vào các gờ trên tường.
Hình 1.5. Robot stickybot.
Hình 1.6. Robot Rise.
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng 5 HVTH: Hồ Minh Phương
 Một robot có thể leo tường khéo léo với nhiều ứng dụng tiềm tàng đang được
chế tạo ở Mỹ. ROCR là công trình sáng tạo của các chuyên gia thuộc Đại
học Utah. Robot này sử dụng hai mấu, một động cơ và một cái đuôi đong
đưa như quả lắc đồng hồ để leo lên bức tường phủ thảm cao 2,4 mét trong 15
giây, như một vận động viên leo núi chuyên nghiệp hoặc một con khỉ đánh
đu từ cành cây này sang cành khác.

Một nhà khoa học có tên Amir Shapiro, anh đang làm việc tại trường Đại học
Ben-Gurion, Israel. 4 loại robot mới do anh thiết kế đều có thể leo những bức
tường thẳng đứng, thậm chí di chuyển qua các góc tường rất ấn tượng và
không hề bị rơi. Con robot thứ nhất (Hình 1.8a), Shapiro lấy cảm hứng từ

những chú ốc sên (khi di chuyển tạo ra các vệt nhầy), nó sử dụng keo dính
lỏng để giúp bám lên mặt tường nhà. Với chú robot thứ hai (Hình 1.8b), nó
có phương thức leo trèo giống như mèo hay động vật có móng vuốt, 4 "chân"
gồm các móng vuốt sắc nhọn, giúp bám chặt vào tường hay cây cối. Trong
khi đó chú robot thứ 3 (Hình 1.8c), gần giống con robot thứ nhất, cũng dùng
Hình 1.7. Robot ROCR.
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng 6 HVTH: Hồ Minh Phương
chất dính để giúp bám vào tường (chỉ áp dụng ở nơi có bề mặt nhẵn). Con
robot cuối cùng (Hình 1.8d) trong bộ sưu tập robot leo tường của Shapiro có
bánh là nam châm, có thể leo những bề mặt có từ tính dễ dàng. Với 4 chú
robot này, Shapiro cho biết nó là ý tưởng, nguồn cảm hứng thiết kế cho các
robot trinh thám hay robot làm những nhiệm vụ đặc biệt trong tương lai.
Hình 1.8: Bốn kiểu robot do Amir Shapiro thiết kế.
(d)
(c)
(b)
(a)
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng 7 HVTH: Hồ Minh Phương
1.2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI.
Cho tới nay, phần lớn các robot leo trèo đều sử dụng các kỹ thuật cơ bản như:
 Kỹ thuật từ tính được sử dụng để leo trên bề mặt kim loại.
 Kỹ thuật hút chân không cho những bề mặt nhẵn không lồi lõm.
 Kỹ thuật làm phát sinh lực hút dựa trên nguyên tắc khí động học.
 Kỹ thuật mô phỏng sinh học tương tự lấy cảm hứng từ động vật leo trèo.
 Kỹ thuật sử dụng keo và các loại chất dính kết để bám dính.
Mặc dù vậy, những công nghệ đó chỉ hiệu quả đối với một số bề mặt nhất
định nên vẫn còn không ít những mặt tồn tại cần khắc phục như: không thể bám vào
bề mặt xốp hoặc đầy bụi của các toà nhà. Mặt khác, nếu sử dụng chất dính để bám

vào bề mặt thì có thể để lại cho bề mặt những vết dơ mà ta không mong muốn.
Trong phần luận văn này cũng sẽ tiếp bước nghiên cứu về lĩnh vực robot leo
tường để dần hoàn thiện hơn nữa những mặt tồn tại hiện nay chưa được khắc phục
như đã nói ở trên. Vì vậy mục đích nghiên cứu là: thiết kế và chế tạo robot có thể
leo được trên tường, bám được trên trần nhà để thực hiện công việc quét ván
nhện và lau chùi trần nhà.
1.3 NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI.
1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài.
 Thiết kế, chế tạo được Robot có thể leo được trên tường, bám được trên
trần nhà thông qua cơ cấu hút được cung cấp khí nén từ máy nén khí
thông thường.
 Thiết kế, chế tạo được robot có thể bám được trên nhiều loại vật liệu bề
mặt khác nhau như: tường, gỗ, kim loại, kính, nhựa
 Tính toán, thiết kế cơ cấu bám tường cũng như tính toán lực hút và các
thông số liên quan giữa cơ cấu hút và máy nén khí.
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng 8 HVTH: Hồ Minh Phương
 Tính toán, thiết kế hình dáng và kết cấu cho robot leo tường quét ván
nhện.
 Thiết kế bộ điều khiển cho robot.
1.3.2 Giới hạn của đề tài.
 Robot này được thiết kế và sử dụng trong phạm vi khoảng cách từ sàn
nhà lên đến trần nhà.
 Robot chỉ di chuyển trong các bề mặt là mặt phẳng không bao phải là mặt
cong.
 Thời gian có hạn nên đề tài chỉ dừng lại ở việc ứng dụng kết quả nghiên
cứu bộ điều khiển không dây bằng sóng RF mà không phải nghiên cứu
phần tự di chuyển và tránh vật cản của robot khi di chuyển trên trần nhà.
1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.
 Từ cơ sở lý thuyết nền tảng là phương trình Bernoully ta phát thảo sơ bộ

hình dáng hình học cho cơ cấu hút. Sau đó, tiến hành thử nghiệm và ghi
nhận các thông số đạt được như: lực hút, áp suất khí nén, lưu lượng khí
cấp vào cơ cấu hút trong một đơn vị thời gian…
 Mô phỏng dòng khí đi vào và đi ra khỏi cơ cấu hút bằng phần mềm
Ansys hoặc CFDesign. Qua mô phỏng để ta có thể thấy được sự phân bố
vận tốc, áp suất bên trong cơ cấu hút làm cơ sở để ta thiết kế cải tiến lại.
 Thiết kế lại hình dáng hình học cho cơ cấu hút.
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng 9 HVTH: Hồ Minh Phương
Chương 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 LÝ THUYẾT VÀ ỨNG DỤNG PHƯƠNG TRÌNH BERNOULLI.
2.1.1 Phương trình Bernoulli.
Khảo sát dòng không khí chuyển động bên trong ống dẫn như hình 2.1.
Phương trình Bernoulli cho dòng khí chuyển động giữa hai mặt cắt [1].
2 2
1 2
1 1 2 2
. .
. .
2. 2.
v v
h p h p p
g g
 
 
      
(2.1)
Trong đó:
p - Áp suất tĩnh, [N/m

2
].
2 2
1 2
. .
,
2. 2.
v v
g g
 
- Áp suất động.
2 2
1 2
1 2
. .
,
2. 2.
v v
p p
g g
 
 
- Áp suất tổng.
v - Vận tốc chuyển động của không khí trong ống dẫn, [m/s].
Hình 2.1: Không khí chuyển động trong ống dẫn.
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng 10 HVTH: Hồ Minh Phương
.g
 


- Trọng lượng riêng của không khí, [N/m³].
ρ - Khối lượng riêng của không khí, [
kg/m³].
h - Độ cao tính từ mặt phẳng quy chuẩn, [m].
p
- Tổn thất áp suất khi dòng chảy đi từ mặt cắt (1 – 1) đến (2 – 2).
Phương trình (2.1) nói lên nối quan hệ giữa áp suất p, vận tốc v và độ cao h, mặc dù
được xét trong điều kiện khí lý tưởng nhưng để áp dụng cho bài toán thực tế cũng
khá phức tạp bởi vì ta phải xét đến rất nhiều yếu tố gây ra tổn thất áp suất như:
+ Chiều dài ông dẫn.
+ Độ nhẵn thành ống.
+ Độ lớn tiết diện ống dẫn.
+ Tốc độ chảy.
+ Sự thay đổi tiết diện.
+ Sự thay đổi hướng chuyển động.
+ Trọng lượng riêng, độ nhớt…
Do đó nếu vận dụng phương trình Bernoulli vào bài toán thực, lưu chất thực (không
còn lý tưởng nữa) thì sẽ phức tạp hơn nhiều. Do mục đích nghiên cứu là tìm ra
nguyên lý hút để ứng dụng vào việc chế tạo robot leo tường nên ta giả thiết rằng
chất khí là lý tưởng và bỏ qua tổn thất áp suất. Vì vậy phương trình (2.1) được viết
lại.
2 2
1 1 2 2
1 2
2 2
v p v p
gh gh
 
    
(2.2)

Nếu ống đặt nằm ngang hoặc không có sự chệnh lệch nhiều về độ cao của hai điểm
xét thì phương trình (2.2) được viết lại:
2
2
v
p const

 
(2.3)
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng 11 HVTH: Hồ Minh Phương
Phương trình (2.3) cho thấy rằng vận tốc v và áp suất p tỉ lệ nghịch với nhau. Vận
tốc càng tăng thì áp suất trong ống sẽ càng giảm để luôn luôn đảm bảo vế phải là
hằng số. Vì vậy ta thấy rằng không nhất thiết phải dùng máy hút khí để tạo chân
không mà ta có thể dùng máy nén khí để thổi, làm sao để tạo được vận tốc v càng
lớn thì ta sẽ thu được áp suất p càng nhỏ, khi đó ta cũng sẽ có được lực hút mà ta
cần giống như phương pháp hút chân không.
2.1.2 Thiết kế thử nghiệm ứng dụng phương trình Bernoulli.
Để có cơ sở thiết kế một cơ cấu hút hoạt động dựa trên nguyên lý Bernoulli, ta
tiến hành một thử nghiệm đơn giản với thiết kế thử nghiệm như sau: gia công một
đĩa tròn bằng nhôm đường kính 30 [mm], dầy 2 [mm], tại tâm đĩa có lắp ghép một
chi tiết trụ 5 [mm] (cùng vật liệu). Tại tâm của khối chi tiết lắp ghép này ta khoan
một lỗ nhỏ đường kính 1 [mm] hình 2.2. Áp suất p = 686465,5 [Pa] = 7 [kgf/cm
2
]
từ đầu dây khí nén 8 [mm] được cấp vào đầu trụ 5 [mm] và mặt đĩa được đặt áp
tường để khảo sát diễn biến áp suất.
2.2 CƠ SỞ CHỌN PHẦN MỀM MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
CHO THIẾT KẾ THỬ NGHIỆM.
2.2.1 Giới thiệu phần mềm Ansys 12.0

ANSYS được lập ra từ năm 1970, do nhóm nghiên cứu của Dr. John
Swanson, hệ thống tính toán Swanson (Swanson Analysis System) tại hợp chủng
quốc Hoa Kỳ, là một gói phần mềm dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn để phân
Hình 2.2: Hình dáng, kích thước của đĩa hút.
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng 12 HVTH: Hồ Minh Phương
tích các bài toán vật lý cơ học, chuyển các phương trình vi phân, phương trình đạo
hàm riêng từ dạng giải tích về dạng số với việc sử dụng phương pháp rời rạc hóa và
gần đúng để giải và mô phỏng ứng xử của một hệ vật lý khi chịu tác động của các
loại tải trọng khác nhau.
 Cơ sở chọn phần mềm Ansys:
+ Vì Ansys dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán và mô
phỏng, đây là phương pháp phổ biến nhất hiện nay và cho phép chúng ta
giải những bài toán phức tạp với sai số cho phép.
+ Ngoài phần mềm Ansys còn có phần mềm CFDesign V10 và một số phần
mềm khác cũng có thể mô phỏng khí động học tốt, tuy nhiên trong
ANSYS có nhiều modul khác nhau như: ANSYS/Multiphysics,
ANSYS/Mechanical, ANSYS/Professional, ANSYS/Structural, ANSYS/LS-
DYNA, NSYS/LinearPlus, ASYS/Thermal, ANSYS/Emag,
ANSYS/FLOTRAN, ANSYS/PrepPost, ANSYS CFX, ANSYS ED, ANSYS
PTD, ANSYS TASPCB, ANSYS ICEM
CFD, ANSYS AI*Evironment, ANSYS DesignXploder, ANSYS
DesignModeler, ANSYS DesignExplode VT, ANSYS BledeModeler, ANSYS
TurboGrid, ANSYS AUTODYN… Hiện nay, phần mềm ANSYS không ngừng
phát triển ra các phiên bản mới như ANSYS 11, ANSYS 12, ANSYS 13.
ANSYS có thể giải được các bài toán tuyến tính, phi tuyến trong các lĩnh vực
như cơ học vật rắn, cơ học lưu chất… Mặt khác, phần mềm ANSYS không chỉ
hỗ trợ hơn 200 kiểu phân tử khác nhau, mỗi kiểu phần tử là một dạng bài toán,
mà còn kết nối với các phần mềm khác như ACAD, SOILDWORK, PRO/E,
Hypermesh….để phân tích các bài toán có kết cấu phức tạp

.
+ Với những lý do đã nêu trên đủ để thấy ANSYS là phần mềm rất mạnh,
đa môi trường và tương tác tốt với nhiều phần mềm khác. Vì vậy ANSYS
được lựa chọn để nghiên cứu sau này và mô phỏng cho bài toán này.
2.2.2 Kết quả mô phỏng cho thiết kế thử nghiệm.
Với thiết kế thử nghiệm được trình bày ở mục 2.1.2, qua mô phỏng với phần
mềm Ansys cho kết quả phân bố áp suất như đồ thị 2.1.
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng 13 HVTH: Hồ Minh Phương
Bảng 2.1: Kết quả mô phỏng đĩa hút.
Lực hút [N]
Lưu lượng [l/ph]
0,198262
11,1
Nhận xét và phân tích:
+ Đồ thị 2.1 cho thấy áp suất dưới mặt đĩa phân bố trong miền ≤ 0.
+ Khoảng kích thước bán kính r là khoảng có phân bố áp suất giảm mạnh và
nhiều biến động về giá trị áp suất.
+ Khoảng kích thước từ bán kính r đến bán kính đĩa R là khoảng có áp suất ổn
định ở mức cận 0.
Vậy công việc tiếp theo ta sẽ nghiên cứu để tăng khoảng kích thước r nhằm mục
đích mở rộng vùng áp suất giảm mạnh và giảm khoảng kích thước (R – r) để nhằm
mục đích giảm kích thước, khối lượng cho đĩa hút.
Đồ thị 2.1: Phân bố áp suất trên bề mặt đĩa.
Bề mặt tường.
Bề mặt đĩa.
Dòng khí thổi.
r
R
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà

GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng 14 HVTH: Hồ Minh Phương
Chương 3
THIẾT KẾ CƠ CẤU HÚT
3.1 CHỌN VẬT LIỆU.
Vật liệu được chọn ở đây đòi hỏi phải có độ cứng thích hợp để có thể chịu
được áp suất khí nén và không bị biến dạng, vật liệu phải dễ tìm, dễ gia công và đặc
biệt là phải “Nhẹ”. Để đáp ứng yêu cầu đó thì Nhôm và Nhựa UHMW-PE là hai
loại vật liệu được lựa chọn. Ta có thể sử dụng một trong hai loại vật liệu này hoặc
kết hợp cả hai là tùy thuộc vào hình dáng hình học và khả năng công nghệ, việc này
sẽ được phân tích lựa chọn cụ thể ở phần tiếp theo, còn bây giờ ta xem xét đặc điểm
và tính chất vật lý của chúng:
+ NHÔM (AL): có khối lượng riêng 2,7 [kg/dm
2
] (chỉ bằng 1/3 thép), nhiệt
độ nóng chảy là 660
0
C, chống ăn mòn ôxy hóa nên không cần sơn bảo vệ,
ứng suất chảy của nhôm tự nhiên là 7 – 11 [Mpa], còn đối với hợp kim
nhôm thì ứng suất chảy lên đến 200 – 600 [Mpa].
+ NHỰA UHMW-PE (Polyetylen): Polyetylen màu trắng, hơi trong, không
dẫn điện và không dẫn nhiệt, không cho nước và khí thấm qua. Tùy thuộc
vào loại PE mà chúng có nhiệt độ hóa thủy tinh T
g
≈ -100 [°C] và nhiệt
độ nóng chảy T
m
≈ 130 [°C], Tỷ trọng: 0,935 - 0,930 [g/cm³].
3.2 THIẾT KẾ CƠ CẤU HÚT.
Qua thiết kế thử nghiệm ở mục 2.1.2 và phân tích kết quả mô phỏng ở mục
2.2.2 là cơ sở để ta tiến hành thiết kế lại nhằm cải tiến và nâng cao hơn nữa khả

năng sinh ra lực hút. Cơ cấu hút được thiết kế như hình 3.1 với bản vẽ chi tiết được
trình bày trong phần phụ lục 1.
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng 15 HVTH: Hồ Minh Phương
Trong đó:
A - Nơi cung cấp khí nén từ máy nén khí.
B - Cửa thoát khí.
C - Chốt điều chỉnh miệng vòi phun.
D - Đối tượng cần hút (có thể là tường hoặc tất cả các bề mặt phẳng).
E - Miệng vòi phun.
Nguyên lý hoạt động
:
Khí nén từ máy nén khí được cấp vào tại cửa vào A, bên trong là vùng không
gian trống, phía dưới (tại miệng vòi E) là một khe rãnh rất nhỏ và ta có thể điều
chỉnh được khe hở này nhờ vào đai ốc điều chỉnh phía trên đầu. Lò xo chỉ có tác
dụng đẩy căng chốt cho dễ dàng trong việc điều chỉnh khe hở và ép ron cao su kín
khít không cho khí nén lọt ra ngoài. Áp suất bên trong được cấp vào từ máy nén khí
sau khi qua miệng vòi phun E thì vận tốc dòng khí tăng lên rất nhanh và có hướng
thoát ra bên ngoài qua cửa xả khí B. Do vận tốc dòng khí thoát ra bên ngoài tăng
nên áp suất ở vùng mặt dưới chốt điều chỉnh giảm mạnh tạo ra lực hút.
E
A
B
B
D
C
Hình 3.1: Cơ cấu hút được cấp khí vào từ mặt bên.