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

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
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 tƣợng và phạm vi nghiên cứu của luận văn ................................... 10
4.Tóm tắt điểm cơ bản và đóng góp mới của luận văn ............................................ 10
5.Phƣơng pháp nghiên cứu ....................................................................................... 11
CHƢƠNG 1 .............................................................................................................. 12
TỔNG QUAN VỀ ROBOT DƢỚI NƢỚC TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC ............. 12
1.1.GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT DƢỚI NƢỚC........................................... 12
1.2.PHÂN LOẠI ROBOT DƢỚI NƢỚC ................................................................ 14
1.3.KẾT LUẬN ........................................................................................................ 16
CHƢƠNG 2 .............................................................................................................. 17
CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ ROBOT ................ 17
2.1.NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ROBOT DƢỚI NƢỚC ............................ 17
2.2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KHUNG VỎ ROBOT DƢỚI
NƢỚC....................................................................................................................... 19
2.2.1.Các thành phần cơ bản của robot dƣới nƣớc ................................................... 19
2.2.2.Cơ sở lý thuyết thiết kế robot dƣới nƣớc ......................................................... 20
2.2.3.Mô hình động lực học robot dƣới nƣớc........................................................... 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
1


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
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
CHƢƠNG 3 .............................................................................................................. 44
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ROBOT ....................... 44
3.1. THIẾT KẾ MẠCH VI ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT DƢỚI NƢỚC ............... 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.Phƣơng 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
2


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
3.9. LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ROBOT DƢỚI NƢỚC ........................................ 61
3.9.1.Giới thiệu phần mềm CodeVisionAVR .......................................................... 61
3.9.2.Lập trình với CodeVisionAVR ....................................................................... 62
3.9.3.Cấu trúc một chƣơng trình viết bằng CodeVisionAVR .................................. 65
3.9.4.Lƣu đồ thuật toán điều khiển robot ................................................................. 66
3.10.KẾT LUẬN ...................................................................................................... 67
CHƢƠNG 4 .............................................................................................................. 68
CHẾ TẠO MÔ HÌNH VÀ THỬ NGHIỆM ROBOT DƢỚI NƢỚC ....................... 68
4.1. MỘT SỐ BẢN VẼ THIẾT KẾ ......................................................................... 69
4.1.1. Bản vẽ kích thƣớc 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 lƣơng –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

3


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

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 dƣới nƣớc.
Giáo viên hƣớng dẫn: TS. Nguyễn Chí Hƣng
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
Tác giả luận văn

Nguyễn Văn Tuấn

4


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

HỆ THỐNG KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
ROV: Robot dưới nước điều khiển có dây
AUV: Robot dưới nước tự hành không dây

M RB :Ma trận khối lượng của robot
CRB (v)v : Ma trận chứa các lực Coriolis và lực ly tâm
M phu : Ma trận khối lượng quán tính phụ

D(v ) : Ma trận cản
 : Lực điều khiển robot
W : Độ lớn sức nổi của robot

TE : Lực chuyển động
R: lực cản

PE : Công suất có ích
PD : Công suất của chân vịt
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

Rcap : Lực cản dây cáp

 : Hệ số tính đến tổn thất của hệ thống đẩy
Tdongco : Lực kéo của động cơ lặn nổi
VCC : chân nguồn +5V
GND: chân đất 0V
Reset : dùng để reset lại hệ thống
BLDC: Động cơ DC không chổi than
PWM: điều chế độ rộng xung

5


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

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
6


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
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
7


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
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

8


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

MỞ ĐẦU
1. Sự cần thiết của đề tài
Việt Nam là một quốc gia có đƣờng 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 nƣớc. Các hoạt động khoa học, kinh tế, xây dựng và
giao thông diễn ra trên biển cũng nhƣ trên các sông, hồ ngày càng nhiều và đa
dạng. Ví dụ trong quá trình xây dựng các công trình cầu, cảng, dàn khoan, đƣờng
ống dẫn dầu,….bƣớc đầu tiên là cần phải tiến hành công tác khảo sát, thăm dò
dƣới nƣớc trƣớc khi thi công; trong các nghiên cứu khoa học về môi trƣờng nƣớc,
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 dƣới nƣớc 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 dƣới nƣớc”.
2. Lịch sử nghiên cứu
Robot dƣới nƣớc (Under-water Robot) đã đƣợc nhiều nƣớc 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
dƣới nƣớc đã đƣợc nhiều tác giả nhƣ: 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 đƣợc
những thành tựu đáng kể. Hiện nay robot dƣới nƣớc nói riêng, thiết bị lặn nói
chung ngày càng phát triển cả về quy mô, chất lƣợng và khả năng công tác tại các
độ sâu ngày càng lớn.
Trong nƣớc cũng đã có một số nghiên cứu về thiết bị lặn đƣợc nghiên cứu
tại các trƣờng đại học, học viên nhƣ: 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 dƣới nƣớc ứng dụng trong công tác khảo sát, nghiên cứu
9


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
khoa học, giao thông vận tải, dầu khí hầu nhƣ chƣa có nghiên cứu thực nghiệm
nào cụ thể.
3. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của luận văn
 Mục đích:
- Chế tạo robot dƣới nƣớc có gắn camera và các cảm biến có khả năng di
chuyển trong môi trƣờng nƣớc nƣớc theo các phƣơng khác nhau nhƣ: 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 tƣợng và phạm vi nghiên cứu:
-

Đối tƣợng 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 đƣợc trình bày gồm 4 chƣơng: Chƣơng 1 tác giả trình bày tổng
quan về robot dƣới nƣớc và lịch sử phát triển của robot dƣới nƣớc cùng các
nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới. Chƣơng 2 nghiên cứu lý thuyết
tính toán động học robot dƣới nƣớc, lựa chọn phƣơng án thiết kế, xây dựng
phƣơng trình vi phân chuyển động, mô phỏng bằng phần mềm ANSYS, tính toán
lựa chọn công suất động cơ đẩy theo phƣơng pháp gần đúng. Chƣơng 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. Chƣơng 4 đƣa 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 dƣới nƣớc
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
đƣợc hiển thị lên bàn điều khiển trung tâm thông qua truyền thông nối tiếp.
10


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Luận văn sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực

nghiệm, phân tích đánh giá:
- Nghiên cứu lý thuyết về động học Robot dƣới nƣớc, tính toán lựa chọn
công suất động cơ, lập trình điều khiển, lƣu 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 dƣới nƣớc.

11


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ROBOT DƢỚI NƢỚC TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC
1.1.GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT DƢỚI NƢỚC
Robot dƣới nƣớc hay các thiết bị hoạt động dƣới nƣớc nói chung (Remotely
Operated underwaterVehicle - ROV) là một loại phƣơng tiện đặc biệt hoạt động
dƣới nƣớc. Từ những năm 1970, robot dƣới nƣớc đã đƣợc nghiên cứu phát triển
mạnh mẽ để hỗ trợ hoặc thay thế con ngƣời làm việc ở những vùng nƣớc sâu
(dƣới đáy sông, hồ, đại dƣơng), những vùng nƣớc ô nhiễm hoặc khi làm việc
trong thời gian dài dƣới nƣớc. Hiện nay, robot giúp đạt đến độ sâu mà con ngƣời
không thể lặn tới đƣợc. Robot dƣới nƣớc đƣợc sử dụng nhiều trong nghiên cứu
khoa học, quân sự, dầu khí, hàng hải, giao thông,...Trong ngành dầu khí, robot
dƣới nƣớc đƣợc sử dụng để làm những công việc nhƣ kiểm tra các giàn khoan và
đƣờng ống dẫn khí, dẫn dầu. Trong ngành viễn thông, robot dƣới nƣớc đƣợc sử
dụng để khảo sát đáy biển trƣớc khi đặt cáp trong lòng biển, chôn cáp và kiểm tra
hiện trạng cáp truyền. Trong quân sự, robot dƣới nƣớc đƣợc sử dụng để gài hoặc
tìm kiếm và tháo gỡ thủy lôi, mìn hoặc phối hợp cùng con ngƣời trong việc tác
chiến dƣới nƣớc. Robot dƣới nƣớc còn là các thiết bị quan trọng khi cứu hộ các

tàu thuyền bị đắm dƣới đáy biển. Trong giao thông vận tải robot dƣới nƣớc đƣợc
dùng trong công tác khảo sát trƣớc khi thi công các công trình giao thông dƣới
nƣớc. Trong thám hiểm và nghiên cứu biển, robot dƣới nƣớc đƣợc sử dụng để
khảo sát địa hình dƣới đáy biển, độ rò rỉ của các nguồn khí dƣới đáy biển, theo dõi
việc sinh sản của các loài cá,...Trong ngành năng lƣợng nguyên tử các robot dƣới
nƣớc cỡ nhỏ đƣợc dùng để kiểm tra các thiết bị trong nhà máy điện nguyên tử.
Robot dƣới nƣớc là một thiết bị có giá thành thấp hiệu quả cao cho các
nghiên cứu ngầm hoặc thăm dò đại dƣơng. 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 ngƣ 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
12


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
dƣới nƣớc nói riêng. Hải quân Mỹ đầu tƣ phát triển công nghệ robot điều khiển từ
xa vào đầu những năm1960 nhƣng lúc đó có tên gọi là “phƣơng tiện thu hồi đƣợc
điều khiển bằng cáp” (CURV). Phƣơng tiện này đã nâng cao đƣợc năng lực thực
hiện các chiến dịch cứu hộ biển sâu và khả năng thu hồi các vật dƣới đáy biển. Ở
một hƣớng khác Hải quân Mỹ đã phát triển Snoopy-một trong số những robot
dƣới nƣớc quan sát kích thƣớc nhỏ đầu tiên. Phƣơng tiện này đƣợc điều khiển
bằng thủy lực từ trên trạm điều khiển và là robot dƣới nƣớc 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 dƣới nƣớc,
trong đó chỉ có 17 robot đƣợc 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
trƣớc khi nhiều lĩnh vực xa bờ mới có những đòi hỏi vƣợt quá khả năng lặn của
con ngƣời thì các robot khiển từ xa đã trở nên vô cùng thiết yếu. Sự chuyển hƣớng

từ đầu tƣ của chính phủ(85% trong giai đoạn 1953-1974) sang đầu tƣ của các hãng
công nghiệp (96% số phƣơng tiện) đã giúp cho số lƣợng robot dƣới nƣớc lên đến
con số 500 vào năm 1982. Nhƣng vào giữa những năm 1980 ngành công nghiệp
robot dƣới nƣớc 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 trƣờng 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 dƣới nƣớc mới nhỏ hơn, tin cậy hơn. Đó là các robot lớp quan sát dƣới
nƣớc. Các robot có thể dễ dàng xách tay, giá thành thấp nên nhanh chóng đƣợc
các tổ chức dân sự, dân sinh và các viện nghiên cứu chấp nhận. Vào thời điểm này
các robot dƣới nƣớc có mặt ở khắp nơi trên thế giới. Không có công việc gì là quá
sâu đối với robot dƣới nƣớc. Hải quân Mỹ đã sử dụng thành công robot dƣới nƣớc
để chinh phục độ sâu trên 6.000m. Và ít lâu sau ngƣời Nhật đã nâng con số đó lên
trên 10.000m. Vào cuối những năm 90 của thế kỉ XX ngƣời ta ƣớc tính có
khoảng100 nhà sản xuất các thiết bị lặn dƣới nƣớc nói chung robot dƣới nƣớc nói
riêng, với khoảng 100 nhà điều khiển sử dụng chừng 3000 robot với kích thƣớc và
chức năng khác nhau. Từ đó cho thấy tiềm năng ứng dụng của robot dƣới nƣớc là
rất cao.

13


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Hình 1.1. Một số loại robot dưới nước
Các robot đƣợc sử dụng rộng rãi khi nghiên cứu và khai thác đại dƣơng
cũng nhƣ khi thực hiện các công việc ngầm ở các vùng nƣớc 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 DƢỚI NƢỚC
 Phân loại theo khả năng di chuyển dƣới nƣớc của các robot đƣợc 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 đƣợc dƣới
nƣớc độc lập với việc cấp nguồn, điều khiển và không đòi hỏi sự can thiệp
từ bên ngoài. AUV là robot ngầm đƣợc lập trình để có thể tự dẫn đƣờng
trong nƣớc. Robot loại AUV đƣợc điều khiển và dẫn đƣờng 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 đƣợc lập trình chính xác.
14


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

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 đƣợc sử dụng rộng rãi khi nghiên
cứu và khai thác đại dƣơng cũng nhƣ khi thực hiện các công việc ngầm ở
các vùng nƣớc nội địa, các sông, các hồ, v.v...Robot đƣợc 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.
15


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
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 đƣợc 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 lƣợng của robot đƣợc chia thành các loại:
-

Robot siêu nhỏ (Micro): Là những robot điều khiển từ xa có trọng lƣợng và
kích thƣớc rất nhỏ. Thông thƣờng trọng lƣợng của nó nhỏ hơn 3 kg và đƣợc
dùng nhƣ một thợ lặn chuyên nghiệp ứng dụng cho các công việc cụ thể.

-

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

-

Robot loại trung bình: Có khối lƣợng từ 100kg đến 600kg.

-

Robot loại lớn: Là loại có khối lƣợng lớn hơn 600kg.

Trên thực tế có nhiều cách phân loại khác nhau nhƣ phân loại theo công suất,
theo kết cấu hình học, theo tính năng của robot,…Robot đƣợc nghiên cứu chế tạo
trong luận văn này thuộc loại robot mini có khối lƣợng khoảng trên dƣới 5kg.
Trên đây là một số cách phân loại phổ biến. Hiện nay nhiều robot lặn hiện
đại đƣợc thiết kế và sử dụng nhƣ là hệ thống đa mục đích, nghĩa là có khả năng
thực hiện một số loại nhiệm vụ khác nhau. Điều này đạt đƣợc 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
Chƣơng này đã nghiên cứu tổng quan về robot dƣới nƣớc, lịch sử phát triển
của robot dƣới nƣớc, phân loại robot dƣới nƣớc. Để nghiên cứu sâu hơn về robot
dƣới nƣớc, chƣơng tiếp theo sẽ trình bày về cơ sở lý thuyết tính toán, lựa chọn
phƣơng 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.

16

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

CHƢƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ
ROBOT DƢỚI NƢỚC
2.1.NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ROBOT DƢỚI NƢỚC
Định luật Acsimet: Với bất cứ một vật nào chìm trong nƣớc, đều chịu một
lực đẩy, thẳng đứng, hƣớng 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 phƣơng pháp động
lực trong khi lặn tĩnh lực đƣợc sử dụng bởi tất cả các tàu ngầm, robot ngầm quân
sự.
Đối với các loại robot mini hầu hết sử dụng phƣơng 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 đƣợc nhờ kết hợp tốc độ của robot cùng
với các động cơ có gắn cánh quạt (chân vịt) để đẩy robot xuống dƣới mặt nƣớc, di
chuyển theo các phƣơng dƣới nƣớc. Robot lặn nổi hoàn toàn do động cơ đẩy tạo
ra. Tuy nhiên đối với một số loại robot thƣơng mại có sự kết hợp giữa động cơ
đẩy và bánh lái (loại này ít gặp).
Trong nghiên cứu này tác giả sử dụng phƣơng pháp lặn động lực. Việc lặn
nổi của robot là do một động cơ đẩy tạo ra, tuy nhiên để áp dụng phƣơng pháp lặn
này thì việc thiết kế robot phải đảm bảo luôn ở trạng thái nửa nổi nửa chìm trong
nƣớc. Vì nhƣ 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
17

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Hình 2.2. Robot (ROV) sử dụng phương pháp lặn động lực Submersible ROV
Nếu phần nổi dƣơng sẽ cần một công suất lặn lớn, chính vì vậy yêu cầu lý
tƣởng nhất là phần nổi bằng không. Nghĩa là độ lớn lực đẩy Acsimet cân bằng với
độ lớn trọng lƣợng của robot FA  PRB .
- Lực đẩy Acsimet (cố định): FA   .V

(2.1)

Trong đó:
γ - trọng lƣợng riêng của nƣớc, N/m³
V - Thể tích của robot chìm trong nƣớc, m³
- Trọng lƣợng của robot:

PRB  m.g

(2.2)

Trong đó:
m: Khối lƣợng của robot, kg
g: Gia tốc trọng trƣờng, m / s 2
Tuy nhiên việc thiết kế chế tạo robot để độ lớn FA  PRB là quá lý tƣởng,
trong thực tế rất khó để làm nhƣ vậy, tuy nhiên khi thiết kế chế tạo robot theo
phƣơng pháp động lực cần phải đảm bảo FA  PRB .Để việc lặn và nổi đƣợc tối ƣu
nhất thì cần có phần nổi dƣơng nhƣng không quá lớn, đủ để khi ta đặt robot vào
nƣớc, robot không chìm mà nằm lơ lửng gần mặt nƣớc. Sau khi thiết kế theo
phƣơng pháp lặn động lực thì ngƣời ta sẽ thêm hoặc bớt các chi tiết để làm sao
cân bằng đƣợc độ lớn lực đẩy Acsimet và trọng lƣợng của robot.
18

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
2.2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KHUNG VỎ ROBOT
DƢỚI NƢỚC
2.2.1.Các thành phần cơ bản của robot dƣới nƣớc
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 lƣợng 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 lƣợng và trạm điều khiển gồm hệ thống cấp điện và
hệ thống điều khiển trên bờ nhƣ: Tay điều khiển để ngƣời 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 lƣợng cho robot, truyền tin và đảm bảo an toàn cho robot khi
có sự cố xảy ra.
Robot khi hoạt động trong nƣớc 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 lƣợng điện cung cấp cho động cơ đẩy đƣợc cung cấp qua dây dẫn.
Lực đẩy của động cơ là một thông số quan trọng trong việc xác định kích thƣớc và
hiệu suất của một robot. Các thành phần chính khác nhƣ 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.
19

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
2.2.2.Cơ sở lý thuyết thiết kế robot dƣới nƣớc
Việc nghiên cứu các sơ đồ robot dƣới nƣớc đƣợc sử dụng với những ứng
dụng nhỏ cho thấy thƣờng robot đƣợc 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 dƣới nƣớc 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 trƣờng nƣớc nói
chung đối với robot nói riêng, dòng chảy của môi trƣờng nƣớc luôn tạo ra lực trên
dây cáp và robot có khuynh hƣớng dịch chuyển vào trạng thái cân bằng thủy động
học. Nếu trạng thái này lệch khỏi vị trí mong muốn của ngƣời 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 ngƣời điều khiển. Khi nghiên cứu
thủy động lực học nói chung và khả năng di chuyển nói riêng của robot ngƣời ta
sử dụng các phƣơng pháp lý thuyết kết hợp thực nghiệm. Các phƣơng pháp lý
thuyết, dựa trên cơ sở các quy luật của cơ học vật rắn và các phƣơng pháp số học,
20

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
đƣợc sử dụng để thiết lập phƣơng trình vi phân chuyển động của robot, cho phép
tính toán các đặc trƣng động học và đặc trƣng động lực học chuyển động của
robot. Các lực thủy động lực học tác động lên robot có thể đƣợc xác định trên cơ
sở các thành tựu hiện đại của cơ học chất lỏng lý thuyết, cũng nhƣ các thí nghiệm
– bằng cách thử mô hình trong ống thủy động lực học, trong bể thí nghiệm v.v….
Các phƣơng pháp thực nghiệm thƣờng là phƣơng pháp phổ biến và là phƣơng
pháp đặc biệt, tối ƣu 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 dƣới nƣớc
Đối với một robot hoạt động trong môi trƣờng nƣớc thì có sáu bậc tự do. Vị
trí của robot đƣợc xác định bởi điểm quy chiếu O và hƣớng quay của robot đƣợc
xác định bởi 3 góc Roll – Pitch – Yaw. Khi thiết lập phƣơng trình vi phân chuyển
động của robot ta sử dụng hai hệ tọa độ [6] .
Hệ tọa độ cố định R0  (O0 y 0 x 0 z 0 )
Hệ tọa độ động gắn liền với robot R1  (Oyxz )

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



T
T
Ta có vị trí của robot đƣợc xác định bởi véctơ định vị   1 2



T

Với véctơ xác định vị trí điểm quy chiếu của hệ động trong hệ quy chiếu
R0 là : 1  x y z T  R 3 .
21


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Véctơ chứa 3 góc Roll – Pitch – Yaw xác định hƣớng của robot là
3
:  2       R .
T





T
T
Gọi v  v1 v 2 là véctơ vận tốc suy rộng của robot trong hệ tọa độ R gắn liền với

robot trong đó v1  u v w là vận tốc của điểm O của robot, còn v 2   p q r  là
T

T

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 nhƣ sau:


  J ( )v với J ( )  diagJ 1 ( ) J 2 ( )
Trong đó

cc  sc  cs s s s  c c s
J1 ( 2 )   sc c c  s s s  c s  s s c
 s
c s
c c

1  s t c t
J 2 ( 2 )  0 c
 s
0 s / c c / c


 (2.3)




 (2.4)



Áp dụng phƣơng trình Newton – Euler ta nhận đƣợc phƣơng trình chuyển động
của robot dƣới nƣớc có dạng nhƣ sau:


M RB . v  CRB (v)v   v

Trong đó

(2.5)

M RB là ma trận khối lƣợng của robot

CRB (v)v chứa các lực Coriolis và lực ly tâm
Ta có ma trận khối lƣợng của robot là:

 M 11
M RB  
 M 21

0
0
0
mzc  myc
m
0
m
0  mzc 0
mxc

0
m
myc  mxc 0
M 12  0


 mzc myc

I x  I xy  I xz
M 22  0
mz
0  mxc  I yx
I y  I yz
 c
 my mx
0
 I zx  I zy I z
c
c

22












(2.6)


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Trong đó



rc  xc yc

zc



T

là véctơ vị trí khối tâm của robot trong hệ tọa độ

gắn liền với robot.
Ma trận C RB (v) có dạng
~


033  c1 

CRB (v)  ~
~ 

 c1  c 2 

Với

(2.7)

c1  M 11v1  M 12v2 , c2  M 21v1  M 22v

Véctơ  v chứa tất cả các ngoại lực tác dụng lên robot bao gồm: lực đẩy do động cơ
đẩy tạo ra, lực thủy động, lực thủy tĩnh, lực do dây cáp tạo ra.
Ta có biểu thức sau:

 v   phu   D  g ( )   c  

(2.8)

 Lực phụ: Khi robot di chuyển trong nƣớc các phần tử nƣớc bao quanh
robot cũng bị tăng tốc do đó nó tạo ra một lực tác dụng lại robot, lực này tỉ
lệ với gia tốc của robot, biểu thức tính lực phụ nhƣ sau:


 phu   M phu v  C phu (v)v

(2.9)

Trong đó M phu là ma trận khối lƣợng quán tính phụ, các phần tử của nó phụ
thuộc vào hình dáng và kích thƣớc của robot. Thông thƣờng thì ma trận quán tính
phụ đƣợc xác định bằng thực nghiệm. Ma trận C phu (v ) đƣợc tính toán từ ma trận

M phu và véctơ v tƣơng tự nhƣ khi tính ma trận C RB (v) .
 Lực thủy động: Thƣờng đƣợc tính toán tỉ lệ bậc một và bậc hai đối với vận
tốc của robot. Phƣơng pháp này thƣờng đƣợc dùng để mô tả lực cản này là
tính lực cản riêng của từng chuyển động theo các trục. Việc tính toán đều
đƣợc xác định bằng thực nghiệm.
Vì vậy lực cản đƣợc 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

dƣơng.

23


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
 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.
-

Trọng lƣợng của tàu: g  0 0 G   0 0

-

Lực đẩy Aschimet: FA  0 0

-

Tâm nổi: rn

mg 

T

 xn

yn

T

  .g .V 

T

zn 

T

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

 f c ( )  f n ( )

g ( )   

rn  f c ( )  rn  f n ( )
0 
f c ( 2 )  J 11 ( 2 ) 0  ,
 
mg 

T

(2.10)

0

1



f n ( 2 )  J 1 ( 2 ) 0


  . g .V 

 Lực điều khiển robot: Giả sử mỗi động cơ đẩy khi quay tạo gia lực đẩy u i ,
nhƣ vậy khi có p động cơ đẩy thì ta sẽ có một véctơ chứa các lực đẩy này:



u  u1 u2 u p



T

(2.11)

Khi đó lực điều khiển của robot có thể đƣợc tính nhƣ sau:

  Bu
Trong đó B  R

6 p

(2.12 )

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

  const .
Thế tất cả các lực tính ở trên vào phƣơng trình (2.5) ta thu đƣợc phƣơng
trình vi phân chuyển động của robot nhƣ sau:


M v  C (v)v  D(v)v  g ( )  Bu
Trong đó:

M  M RB  M phu , C (v)  C RB (v)  C phu (v)

24

(2.13)


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Nếu dùng phép biển đổi




  J ( )v  v  J ( )
1

  J ( ) v  J ( )v  v  J 1 ( )   J ( ) J 1 ( ) 



















Ta thu đƣợc phƣơng trình vi phân chuyển động của robot dƣới nƣớc điều
khiển có dây nhƣ sau:






M  ( )   C (v, )   D ( v, )   g ( )     const

( 2.14 )

Trong đó:
M  ( )  J T ( ) MJ 1 ( )

C ( v, )  J  T ( ) C ( v )  MJ 1 ( ) J ( ) J 1 ( )


D ( v, )  J  T ( ) D( v ) J 1 ( )

g ( )  J  T ( ) g ( )

  ( )  J T ( )
Theo các nghiên cứu trên thế giới hầu hết khi thiết kế chế tạo robot cỡ nhỏ
thì việc thực nghiệm là công việc chủ yếu, lý thuyết đánh giá một phần nhỏ và
việc đƣa lý thuyết đồng bộ với thực nghiệm là việc hết sức phức tạp, thƣờng cho
các kết quả không nhƣ mong muốn. Chính vì vậy việc nghiên cứu chế tạo cần phải
thử nghiệm nhiều mới có kết quả nhƣ mong muốn. Phƣơng trình vi phân chuyển
động của robot sẽ giúp cho việc mô hình hóa, phân tích bền bằng các phần mềm
nhƣ ANSYS, MATLAB.
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
thƣờng gồm khung robot, hộp chịu đƣợc 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
đƣợc làm từ nhiều vật liệu khác nhau nhƣ kim loại, composite, ống nhựa,.. Nói
chung vật liệu đƣợc sử dụng để chế tạo thân robot đƣợc chọn sao cho có độ bền
lớn nhất, trọng lƣợng nhỏ nhất vì trọng lƣợng 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.
25