Nghiên cứu mô hình động lực học robot chữa cháy nhà xưởng khi di chuyển trên cầu thang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP NGUYỄN VĂN MINH NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT CHỮA CHÁY NHÀ XƯỞNG KHI DI CHUYỂN TRÊN CẦU THANG CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ MÃ NGÀNH: 8520103 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS HỒNG SƠN Hà Nội, 2021 i CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan, cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình nghiên cứu khác Nếu nội dung nghiên cứu tơi trùng lặp với cơng trình nghiên cứu cơng bố, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm tuân thủ kết luận đánh giá luận văn Hội đồng khoa học Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Người cam đoan Nguyễn Văn Minh ii LỜI CẢM ƠN Nhân dịp hoàn thành luận văn cho phép tơi bày tỏ lịng biết ơn chân thành sâu sắc tới Thầy giáo hướng dẫn khoa học TS Hoàng Sơn, dành nhiều thời gian bảo tận tình giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Nhà trường, phịng Sau đại học, khoa Cơ điện Cơng trình Trường Đại học Lâm nghiệp giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành nhiệm vụ học tập nghiên cứu Trân trọng cảm ơn Lãnh đạo đồng nghiệp tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành khóa học luận văn tốt nghiệp Trân trọng cảm ơn Nhà khoa học, bạn đồng nghiệp đóng góp nhiều ý kiến quý báu suốt trình làm hoàn chỉnh luận văn Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Học viên Nguyễn Văn Minh iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH vi MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Khái quát cháy nổ Việt Nam 1.1.1 Thực trạng cháy nổ khu công nghiệp đô thị Việt Nam 1.1.2 Đặc điểm thông số đám cháy cơng trình cơng nghiệp 1.2 Khái quát tình hình ứng dụng Robot chữa cháy giới Việt Nam 1.2.1 Ứng dụng Robot chữa cháy giới 1.2.2 Ứng dụng Robot chữa cháy Việt Nam 1.3 Tình hình nghiên cứu Robot chữa cháy giới Việt Nam 11 1.3.1 Tình hình nghiên cứu Robot chữa cháy giới 11 1.3.2 Tình hình nghiên cứu robot chữa cháy Việt Nam 15 Chương MỤC TIÊU, NỘI DUNG, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 17 2.1 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 17 2.2 Nội dung nghiên cứu 17 2.2.1 Nội dung lý thuyết 17 2.2.2 Nội dung mô thực nghiệm 17 2.3 Đối tượng nghiên cứu 17 2.4 Phạm vi nghiên cứu 18 2.5 Phương pháp nghiên cứu 18 iv 2.5.1 Phương pháp kế thừa 18 2.5.2 Phương pháp tham khảo ý kiến chuyên gia 19 2.5.3 Phương pháp đồng dạng mô 19 2.6 Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận văn 19 Chương PHÂN TÍCH TĨNH HỌC VÀ ĐỘNG HỌC ROBOT TRONG QUÁ TRÌNH LEO CẦU THANG 20 3.1 Mơ hình đối tượng robot chữa cháy 20 3.1.1 Mơ hình bậc cầu thang nhà xưởng Việt Nam 20 3.1.2 Mơ hình robot chữa cháy có khả leo cầu thang 20 3.2 Phân tích tĩnh học Robot 22 3.2.1 Tĩnh học Robot sử dụng bánh xích trơn 22 3.2.2 Tĩnh học Robot sử dụng bánh xích có gai 25 3.3 Phân tích trạng thái động học robot leo lên cầu thang 27 3.4 Phân tích trạng thái động học robot xuống cầu thang 30 Chương XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Q TRÌNH ROBOT LEO CẦU THANG 36 4.1 Xây dựng phương trình động lực học robot leo lên cầu thang 36 4.1.1 Động lực học bước leo lên 36 4.1.2 Động lực học robot bước trình leo lên 37 4.1.3 Động lực học robot bước trình leo lên 38 4.1.4 Động lực học robot bước trình leo lên 39 4.1.5 Động lực học robot bước trình leo lên 40 4.1.6 Động lực học robot bước trình leo lên 40 4.2 Xây dựng phương trình động lực học robot leo xuống cầu thang 40 4.2.1 Động lực học robot bước trình leo xuống 40 4.2.2 Động lực học robot bước trình leo xuống 41 4.2.3 Động lực học robot bước trình leo xuống 42 4.2.4 Động lực học robot bước trình leo xuống 42 v 4.2.5 Động lực học robot bước trình leo xuống 43 4.2.6 Động lực học robot bước trình leo xuống 44 4.2.7 Động lực học robot bước trình leo xuống 44 4.2.8 Động lực học robot bước trình leo xuống 44 4.2.9 Động lực học robot bước trình leo xuống 44 4.2.10 Động lực học robot bước 10 trình leo xuống 45 4.2.11 Động lực học robot bước 11 trình leo xuống 45 4.3 Mô đánh giá kết 46 4.3.1 Các tham số giả định mô 46 4.3.2 Kết mô 47 4.3.3 Nhận xét đánh giá kết 56 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 PHỤ LỤC vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Kích thước cầu thang xây dựng 20 Bảng 4.1 Các thông số robot cầu thang 46 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Robot chữa cháy cơng trình cao tầng sử dụng Nhật Bản Hình 1.2 Robot chữa cháy kho xăng dầu, khu vực nguy hiểm, độc hại Hình 1.3 Robot Thermite chữa cháy cơng trình cao tầng Hình 1.4 Robot chữa cháy Octavia Mỹ sản xuất Hình 1.5 Robot chữa cháy QinetiQ Anh sản xuất Hình 1.6 Robot chữa cháy trung Quốc sản xuất Hình 1.7 Robot chữa cháy pháp sản xuất trang bị cho đội chữa cháy Paris Hình 1.8 Xe chữa cháy có cánh tay làm việc dạng Robot ứng dụng Việt Nam 10 Hình 1.9 Xe thang chữa cháy loại cầu trục xe thang vươn xuất xứ Hàn Quốc 11 Hình 1.10 Robot chữa cháy FUF60 12 Hình 1.11 Robot chữa cháy MyBot2000 12 Hình 1.12 Mơ tả thuật tốn di chuyển Robot chữa cháy 13 Hình 1.13 Mơ tả vật liệu cách nhiệt dùng cho Robot chữa cháy 14 Hình 1.14 Mơ 3D QRob 14 Hình 1.15 Mơ hình Robot cảnh báo cháy 15 Hình 2.1 Mơ tả robot chữa cháy 17 Hình 2.2 Mơ tả robot leo lên cầu thang 18 Hình 2.3 Mô tả robot leo xuống cầu thang 18 vii Hình 3.1 Mơ hình cầu thang nhà xưởng Việt Nam 20 Hình 3.2 Mơ hình động học robot chữa cháy 21 Hình 3.3 Hình dáng bánh xích Robot chữa cháy 21 Hình 3.4 Trạng thái lúc bắt đầu leo cầu thang 22 Hình 3.5 Trạng thái leo lên bậc 23 Hình 3.6 Kết khảo sát biến đổi hệ số ma sát với xích trơn 24 Hình 3.7 Trạng thái lúc bắt đầu leo cầu thang trường hợp xích có gai 25 Hình 3.8 Trạng thái leo lên bậc trường hợp xích có gai 25 Hình 3.9 Kết khảo sát biến đổi hệ số ma sát với bánh xích gai 26 Hình 3.10 Bước trình leo lên cầu thang robot 27 Hình 3.11 Bước trình leo lên cầu thang robot 27 Hình 3.12 Bước trình leo lên cầu thang robot 28 Hình 3.13 Bước trình leo lên cầu thang robot 28 Hình 3.14 Bước trình leo lên cầu thang robot 29 Hình 3.15 Bước trình leo lên cầu thang robot 29 Hình 3.16 Bắt đầu bước trình leo xuống cầu thang robot 30 Hình 3.17 Kết thúc bước trình leo xuống cầu thang robot 30 Hình 3.18 Bước trình leo xuống cầu thang robot 31 Hình 3.19 Bước trình leo xuống cầu thang robot 31 Hình 3.20 Bước trình leo xuống cầu thang robot 32 Hình 3.21 Bước trình leo xuống cầu thang robot 32 Hình 3.22 Bước trình leo xuống cầu thang robot 33 Hình 3.23 Bước trình leo xuống cầu thang robot 33 Hình 3.24 Bước trình leo xuống cầu thang robot 33 Hình 3.25 Bước trình leo xuống cầu thang robot 34 Hình 3.26 Bước 10 trình leo xuống cầu thang robot 34 Hình 3.27 Bước 11 trình leo xuống cầu thang robot 34 Hình 4.1 Phân tích động lực học bước q trình leo lên cầu thang 36 viii Hình 4.2 Phân tích động lực học bước trình leo lên cầu thang 37 Hình 4.3 Phân tích động lực học bước trình leo lên cầu thang 38 Hình 4.4 Phân tích động lực học bước q trình leo lên cầu thang 39 Hình 4.5 Phân tích động lực học bước trình leo lên cầu thang 40 Hình 4.6 Phân tích động lực học bước trình leo xuống cầu thang 40 Hình 4.7 Phân tích động lực học bước q trình leo xuống cầu thang 41 Hình 4.8 Phân tích động lực học bước q trình leo xuống cầu thang 42 Hình 4.9 Phân tích động lực học bước trình leo xuống cầu thang 43 Hình 4.10 Phân tích động lực học bước trình leo xuống cầu thang 43 Hình 4.11 Phân tích động lực học bước q trình leo xuống cầu thang 44 Hình 4.12 Phân tích động lực học bước 10 trình leo xuống cầu thang 45 Hình 4.13 Phân tích động lực học bước 11 trình leo xuống cầu thang 45 Hình 4.14 Kết mơ q trình leo cầu thang 47 Hình 4.15 Kết mô bước lên 49 Hình 4.16 Kết mơ bước lên 49 Hình 4.17 Kết mơ bước lên 50 Hình 4.18 Kết mơ bước lên 50 Hình 4.19 Kết mô bước lên 51 Hình 4.20 Kết mô bước xuống 52 Hình 4.21 Kết mơ bước xuống 52 Hình 4.22 Kết mơ bước xuống 53 Hình 4.23 Kết mô bước xuống 53 Hình 4.24 Kết mơ bước xuống 54 Hình 4.25 Kết mơ bước xuống 54 Hình 4.26 Kết mô bước 10 xuống 55 Hình 4.27 Kết mơ bước 11 xuống 55 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Việt Nam nước phát triển, tốc độ đô thị hóa tăng nhanh Các nhà máy, xí nghiệp, xưởng sản xuất, kho hàng hóa, kho hóa chất nguy hiểm độc hại xây dựng ngày nhiều, với nhiều vật liệu dễ cháy sử dụng ngày nhiều vào cơng trình Điều đồng nghĩa với nguy cháy nổ, gây thiệt hại tài sản tính mạng ngày gia tăng Thực tế cho thấy, thời gian qua Việt Nam, với phát triển đa dạng kinh tế thị trường, tình hình cháy, nổ diễn biến phức tạp Chỉ tính năm (2012 - 2016) toàn quốc xảy 11.461 vụ cháy, làm chết 360 người, bị thương 957 người, thiệt hại tài sản cháy gây ước tính trị giá 6.147 tỷ Trong trình chữa cháy nhà xưởng, kho bãi, kho hóa chất nguy hiểm độc hại, người chữa cháy tiếp cận gần trực tiếp với đám cháy nên nguy hiểm đến tính mạng, ngồi kho hóa chất nguy hiểm độc hại việc tiếp xúc gần với đám cháy bị ảnh hưởng lớn hóa chất nhiễm vào thể người Do vậy, số nước phát triển sử dụng robot để tham gia chữa cháy cứu nạn, cứu hộ Ở Việt Nam cịn robot chữa cháy sử dụng cho việc chữa cháy cứu hộ khu công nghiệp, nhà xưởng, kho bãi, kho hóa chất nguy hiểm độc hại Với tầm quan trọng cơng tác phịng cháy chữa cháy, Chính phủ Bộ cơng an ban hành thị, công điện, công văn tăng cường cơng tác phịng cháy, chữa cháy để nâng cao chất lượng cơng tác phịng cháy, chữa cháy cứu nạn cứu hộ Việc xử lý tình cháy nổ, bảo đảm nhanh chóng, kịp thời hiệu quả, góp phần giảm thiểu thiệt hại đáng tiếc người tài sản Nhà nước, nhân dân Một số nước phát triển Đức, Nhật Bản, Mỹ, Hàn Quốc, Trung Quốc, sử dụng robot vào trình chữa cháy nhà cao tầng, chữa cháy khu vực cháy nguy hiểm độc hại cháy kho xăng dầu, kho hóa 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Trọng Doanh Nguyễn Ngọc Đạt (2018), Nghiên cứu động học mơ robot nhện bốn chân, Cơ khí Việt Nam - 2018 - ISSN.08667056 Nguyễn Thị Hồng Hạnh, Nguyễn Như Hiếu, Đỗ Trần Thắng (2014), Điều khiển bám quỹ đạo cho Robot di động kỹ thuật tuyến tính hóa phản hồi động, Tuyển tập cơng trình Hội nghị Cơ học kỹ thuật Toàn quốc Đỗ Trần Thắng (2013), Hồn thiện, làm chủ cơng nghệ thiết kế, chế tạo Robot công nghiệp bậc tự ứng dụng sản phẩm vào dây chuyền sản xuất công nghiệp Viện Cơ học chủ trì, thuộc Chương trình “Phát triển số ngành công nghiệp công nghệ cao” Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Quyết định số 347/QĐ-TTg ngày 22/02/2013 giao Bộ Công Thương quản lý Ngô Hà Quang Thịnh Trần Anh Sơn (2017), Thiết kế chế tạo robot AGV hỗ trợ xếp hàng hóa nhà kho, Cơ khí, ISSN.0866-7056 Nguyễn Quốc Trung (2004), Xử lý tín hiệu lọc số, Nxb Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Bùi Quang Vương, Đặng Xuân Kiên, Phạm Tâm Thành (2017), Điều khiển đồng hệ thống robot thông minh vận chuyển hàng kho, Khoa học Công nghệ (Đại học Thái Nguyên), no.9 - tr.229-232, ISSN, 1859-2171 Magda Judith Morales Tavera, Omar Lengerke, Max Suell Dutra, Elkin Yesid Veslin Diaz (2012), Navigation and sensing system on a firefighting robot”, ABCM Symposium Series in Mechatronics, Section VII – Robotics Pengcheng Liu, Hongnian Yu, Shuang Cang, Luige Vladareanu (2016), Robot-Assisted Smart Firefighting and Interdisciplinary Perspectives, Proceedings of the 22nd International Conference on Automation & Computing, University of Essex, Colchester, UK 60 Chee Fai Tan et al “Fire Fighting Mobile Robot: State of the Art and Recent Development” Australian Journal of Basic and Applied Sciences, 7(10): 220230, 2013 10 Teh Nam Khoon, Patrick Sebastian, Abu Bakar Sayuti Saman (2012), Autonomous Fire Fighting Mobile Platform, Procedia Engineering, 41: 1145 - 1153 11 Sandip Gupta Farogh Ahmad S Sundar and Shanmugasundaram M (2017), Manually controlled enhanced wireless intelligent fire fighting robot, ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, vol.12, no.21 12 AlHaza T, Alsadoon A, Alhusinan Z, Jarwali M , Alsaif K (2015), New Concept for Indoor Fire Fighting Robot, Procedia - Social and Behavioral Sciences, 2343 – 2352 13 Mohd Aliff1, MI Yusof, Nor Samsiah Sani, Azavitra Zainal (2019), Development of Fire Fighting Robot (QRob) (IJACSA) International Journal of Advanced Computer Science and Applications, International Journal of Advanced Computer Science and Applications,10(1) 14 Jeelani, S., et al (2015), Robotics and medicine: A scientific rainbow in hospital, Journal of Pharmacy & Bioallied Sciences, 7(2), 381-383 15 Aliff, M., S Dohta, and T Akagi (2015), Simple Trajectory Control Method of Robot Arm Using Flexible Pneumatic Cylinders, Journal of Robotics and Mechatronics, 27(6), 698-705 16 Aliff M, D.S., and Akagi T (2017), Control and analysis of simplestructured robot arm using flexible pneumatic cylinders, International Journal of Advanced and Applied Sciences, 4(12), 151-157 17 M Aliff, S Dohta and T Akagi (2015), Trajectory controls and its analysis for robot arm using flexible pneumatic cylinders, IEEE International Symposium on Robotics and Intelligent Sensors (IRIS), 48-54 61 18 C Xin, D Qiao, S Hongjie, L Chunhe and Z Haikuan (2018), Design and Implementation of Debris Search and Rescue Robot System Based on Internet of Things, International Conference on Smart Grid and Electrical Automation (ICSGEA), pp 303-307 19 Teh Nam Khoon, Patrick Sebastian, Abu Bakar Sayuti Saman (2012), Autonomous Fire Fighting Mobile Platform, IRIS 2012 20 Taiser T T Barros, Walter Fetter Lages (2012), Development of a Firefighting Robot for Educational Competitions, RiE 2012 21 KuoL Su (2006), Automatic Fire Detection System Using Adaptive Fusion Algorithm for Fire Fighting Robot, 2006 IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics October, 8-11 PHỤ LỤC Phụ lục CHƯƠNG TRÌNH MATLAB XÂY DỰNG Khai Báo Tham Số %% Parameters m=50; %kg; mg=500; %kgf L=0.7; %Meter La=0.350; Lc=0.350; Kapa=0.17; %Meter h=0.085; %Meter Theda=45*pi/180; %Radian r=0.1; %Meter ti=0.01; D=15.16*pi/180; Muu=0.56; Eff=0.5; G=60; V_rated=35; %Volts T_stall_rated=1.13; n_noload_rated=3380; Bb=0.279; %Meter V=20; %Volts %% Relationship of parameters T_stall=T_stall_rated*V/V_rated; n_noload=n_noload_rated*V/V_rated; w_noload=n_noload*2*pi/60; t_a=0.2; a_noload=w_noload/t_a; w_slope=-w_noload/T_stall; a_slope=-a_noload/T_stall; I=22; j=1; %% Preallocate for speed i_final=1500; B=zeros(1,i_final); DeltaL=zeros(1,i_final); L_1=zeros(1,i_final); L_2=zeros(1,i_final); L_T=zeros(1,i_final); N_c=zeros(1,i_final); Na=zeros(1,i_final); Rr3=zeros(1,i_final); Tm1=zeros(1,i_final); Tm2=zeros(1,i_final); d2A_dt2=zeros(1,i_final); d2B_dt2=zeros(1,i_final); d2Q_dt2=zeros(1,i_final); d2x_dt2=zeros(1,i_final); d2y_dt2=zeros(1,i_final); dA_dt=zeros(1,i_final); dB_dt=zeros(1,i_final); dx_dt=zeros(1,i_final); dy_dt=zeros(1,i_final); q=zeros(1,i_final); time=zeros(1,i_final); w=zeros(1,i_final); w_max=zeros(1,i_final); %% Động Lực Học %%% PART i=1; time(i)=0; B(i)=0.001; %Radian D dB_dt(i)=0; w(i)=0; %Guess W X(i)=0; y(i)=0; dx_dt(i)=0; dy_dt(i)=0; d2Q_dt2(i)=0; L_2(i)=L/2; L_T(i)=0.02; L_1(i)=L/2; d2A_dt2(i)=0; dA_dt(i)=0; DeltaL(i)=0; DDD(i)=0; check(i)=0; while(B(i)0.001)||(errortime(min(i))) xlim([time(min(i)) time(max(i))]) end title('Power') subplot(5,2,10) plot(time(i), N_c(i)); xlabel('t(sec)') ylabel('N_c (N)') if(time(max(i))>time(min(i))) xlim([time(min(i)) time(max(i))]) end title('Normal Force at c') Phụ lục MỘT SỐ HÌNH ẢNH ROBOT ĐANG ĐƯỢC CHẾ TẠO PHẦN CƠ KHÍ DỰA TRÊN MỘT SỐ KẾT QUẢ NC