Nghiên cứu động học và động lực học tay máy mở cửa cầu thang gắn trên robot chữa cháy công trình công nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP -HỌC LÂM NGHIỆP PHẠM VĂN PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC TAY MÁY MỞ CỬA CẦU THANG GẮN TRẾN ROBOT CHỮA CHÁY CƠNG TRÌNH CƠNG NGHIỆP CHUN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ MÃ SỐ: 8520103 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS HỒNG SƠN Hà Nội, 2023 i CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan tồn luận văn thân tơi nghiên cứu tổng hợp hướng dẫn khoa học thầy TS Hồng Sơn cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình nghiên cứu khác Nếu nội dung nghiên cứu 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 2023 NGƯỜI CAM ĐOAN Phạm Văn Pháp ii LỜI CẢM ƠN Lời tơi xin bày tỏ lịng biết ơn 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, phòng 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 q báu suốt q trình làm hồn chỉnh luận văn Xin cảm ơn gia đình, người thân bạn bè động viên giúp đỡ suốt thời gian hoàn thành luận văn Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2023 TÁC GIẢ Phạm Văn Pháp iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH VẼ v MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .3 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu robot chữa cháy giới 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 công trình cơng nghiệp 1.2 Khái qt tình hình ứng dụng robot tay máy gắn robot chữa cháy giới Việt Nam 1.2.1 Ứng dụng robot chữa cháy tay máy mở cửa cầu thang giới 1.2.2 Ứng dụng robot chữa cháy tay máy mở cửa cầu thang Việt Nam 1.3 Tình hình nghiên cứu robot chữa cháy tay máy gắn robot chữa cháy giới Việt Nam 10 1.3.1 Tình hình nghiên cứu tay máy mở cửa gắn robot chữa cháy giới 10 1.3.2 Tình hình nghiên cứu robot chữa cháy Việt Nam .13 Chương MỤC TIÊU, NÔI DUNG, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 16 2.1 Mục tiêu nghiên cứu đề tài .16 2.2 Nội dung nghiên cứu 16 2.2.1 Nội dung lý thuyết: 16 2.2.2 Nội dung mô thực nghiệm: .16 2.3 Đối tượng nghiên cứu .16 2.4 Phạm vi nghiên cứu 17 2.5 Phương pháp nghiên cứu .18 2.5.1 Phương pháp kế thừa .18 2.5.2 Phương pháp tham khảo ý kiến chuyên gia .18 2.5.3 Phương pháp đồng dạng mô 18 2.5.4 Phương pháp thực nghiệm .18 2.6 Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận văn 18 iv Chương XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC TAY MÁY MỞ CỬA CẦU THANG 19 3.1 Nghiên cứu cấu hình tay máy mở cửa cầu thang 19 3.1.1 Kết cấu khí, số bậc tự cần có để mở cửa cầu thang .19 3.2 Phân tích động học tay máy mở cầu thang gắn xe robot chữa cháy 22 3.2.1 Xây dựng phương trình động học thuận cánh tay 22 3.2.2 Xây dựng phương trình động học ngược cánh tay 28 3.3 Phân tích động lực học tay máy mở cửa cầu thang gắn xe robot chữa cháy 29 3.4 Xây dựng phương pháp điều khiển chuyển động tay máy mở cửa cầu thang 38 Chương MÔ PHỎNG VÀ THỰC NHIỆM .41 4.1 Mô chuyển động cánh tay máy mở cửa cầu thang 41 4.2 Thực nghiệm trình mở cầu thang cánh tay máy 44 4.2.1 Thiết bị thực nghiệm .44 4.2.2 Kết thực nghiệm 47 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 PHỤC LỤC v DANH MỤC HÌNH VẼ 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 Trung Quốc 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 Hình 1.9: Xe thang chữa cháy loại cầu trục xe thang vươn xuất xứ Hàn Quốc 10 Hình 1.10: Robot chữa cháy FUF60 11 Hình 1.11: Robot chữa cháy MyBot2000 11 Hình 1.12: Mơ tả thuật toán di chuyển robot chữa cháy 12 Hình 1.13: Mơ tả vật liệu cách nhiệt dùng cho robot chữa cháy 12 Hình 1.14: Mơ 3D QRob 13 Hình 1.15: Mơ hình Robot cảnh báo cháy 13 Hình 1.16: Robot chữa cháy đề tài cấp Nhà nước chế tạo 15 Hình 2.1: Mơ tả cánh tay máy gắn robot chữa cháy 17 Hình 2.2: Mơ tả q trình robot leo mở cửa cầu thang 17 Hình 3.1: Mơ tả thao tác mở cửa cầu thang trình chưa cháy 20 Hình 3.2: Hình ảnh tổng thể robot 20 Hình 3.3: Các động gắn khớp .21 Hình 3.4: Các khớp cánh tay máy 21 Hình 3.5: Khung tạo độ dùng để thiết lập phương trình động học tay máy mở cửa cầu thang 22 Hình 3.6: Mơ tả phép biến đổi tổng quát hai khung toạ độ 24 Hình 3.7: Khung tạo độ dùng để thiết lập phương trình động lực học tay máy mở cửa cầu thang .30 Hình 8: Sơ đồ khối điều khiển PD+G 39 Hình 4.1: Mơ tả quỹ đạo chuyển động bàn tay máy 41 vi Hình 4.2: Kết mơ chuyển động khớp 42 Hình 4.3: Kết mơ chuyển động khớp 43 Hình 4.4: Kết mô chuyển động khớp 43 Hình 4.5: Kết mơ chuyển động khớp 44 Hình 4.6: Xe robot chữa cháy chế tạo thực tế 45 Hình 4.7: Cấu trúc tổng quát hệ thống điều khiển xe chuyên dung 46 Hình 4.8: Hệ thống điều khiển PLC chứa chương trình điều khiển đặt lòng xe robot .47 Hình 4.9: Xe robot leo lên bậc cầu thang để tiếp cận cửa .48 Hình 4.10: Di chuyển cánh tay để bàn tay tiến đến vị trí khố cửa 49 Hình 4.11: Bàn tay máy nắm chặt khoá cửa .49 Hình 4.12: Cánh tay máy chuyển động quay để mở khố 50 Hình 4.13: Cánh tay máy chuyển động kéo cánh cửa 50 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Việt Nam nước phát triển, tốc độ thị hóa tăng nhanh, nhiều khu dân cư, tổ hợp cơng trình cao tầng xây dựng, nhiều nhà máy, xí nghiệp, xưởng sản xuất xây dựng, nhiều loại vật liệu dễ cháy sử dụng để xây dựng cơng trình Điều đồng nghĩa với nguy cháy, cháy lớn, cháy gây thiệt hại nghiêm trọng ngày gia tăng Thực tế cho thấy, tính 05 năm (2017 - 2022) toàn quốc xảy 12.458 vụ cháy, làm chết 451 người, bị thương 1000 người, thiệt hại tài sản cháy gây ước tính trị giá 10 nghìn tỉ đồng Các vụ cháy lớn xảy khu công nghiệp khu chung cư gây nên thiệt hại lớn người tài sản, làm ô nhiễm môi trường hai năm 2020 2022 kể đến như: Cháy nhà kho sản xuất sơn chợ 365 thuộc Quận Hà Đông, Hà Nội vào 20/10//2020 gây thiệt hại lớn tài sản, có nguy dẫn đến ô nhiễm môi trường; Vụ cháy quán Karaoke Bình Dương vào tháng 9/ 2022 làm 33 người tử; Đáng ý vụ cháy quán Karaoke Quận Cầu Giấy, Hà Nội làm chiến sỹ lúc làm nhiệm vụ Với tốc độ cơng nghiệp hố thị hoá đất nước ngày tăng, nhà máy xí nghiệp, khu cơng nghiệp, khu chế xuất (gọi tắt cơng trình cơng nghiệp) xây dựng ngày nhiều, cộng thêm điều kiện thời thiết khắc nghiệp Việt Nam khả cháy nổ số vụ cháy diễn ngày phức tạp Để chữa cháy cho cơng trình cơng nghiệp, việc tham gia trực tiếp người (lực lượng phịng cháy chữa cháy) cần thiết bị chữa cháy đại tham gia robot để giảm thiểu rủi ro tính mạng người cho lực lượng phịng cháy chữa cháy, cơng trình cơng nghiệp thường kèm với kho chứa hố chất nguy hiểm, độc hại Robot chữa cháy phải có chức leo lên cầu thang, mở cửa cầu thang, tiến vào để tiếp cận đám cháy Xuất phát từ nhu cầu thực tế mà đề tài “Nghiên cứu động học động lực học tay máy mở cửa cầu thang gắn robot chữa cháy cơng trình công nghiệp” chọn làm luận văn tốt nghiệp Kết nghiên cứu đề tài đưa sở lý luận nghiên cứu tay máy gắn robot chữa cháy với chức mở cửa hiểm, cửa vào cơng trình cơng nghiệp để robot tiến vào khu vực xảy đám cháy bên cơng trình cơng nghiệp Những đóng góp luận văn - Đã xây dựng mơ hình, thiết lập phương trình động học, động lực học tay máy mở cửa cầu thang tự động gắn robot chữa cháy - Dựa mơ hình động học, động lực học đề xuất phương pháp điều khiển, thuật toán điều khiển chuyển động tay máy để mở cửa cầu thang cho robot chữa cháy di chuyển vào khu vực cháy - Tiến hành xây dựng phần cứng làm thí nghiệm điều kiện sát với thực tế Đại học Lâm nghiệp để đánh giá mức độ xác khả đáp ứng thực tế tay máy hệ thống điều khiển Chương TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu robot chữa cháy giới Việt Nam 1.1.1 Thực trạng cháy nổ khu công nghiệp đô thị Việt Nam Việt Nam nước phát triển, tốc độ thị hóa tăng nhanh, nhiều khu dân cư, tổ hợp nhà cao tầng xây dựng, nhiều nhà máy, xí nghiệp, xưởng sản xuất xây dựng Theo thống kê Việt Nam có gần 400 khu cơng nghiệp với tổng diện tích đất tự nhiên 100.000 ha, tập chung chủ yếu thành phố Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, tỉnh Bắc Ninh, Bình Dương, Đồng Nai, Long An Thực tế cho thấy, thời gian qua Việt Nam, với phát triển đa dạng kinh tế thị trường, tình hình cháy, nổ diễn biến Các vụ cháy lớn xảy khu công nghiệp khu chung cư gây nên thiệt hại lớn người tài sản, làm ô nhiễm môi trường hai năm 2020 2022 kể đến như: Cháy nhà kho sản xuất sơn chợ 365 thuộc Quận Hà Đông, Hà Nội vào 20/10//2020 gây thiệt hại lớn tài sản, có nguy dẫn đến ô nhiễm môi trường; Vụ cháy quán Karaoke Bình Dương vào tháng 9/ 2022 làm 33 người tử; Đáng ý vụ cháy quán Karaoke Quận Cầu Giấy, Hà Nội làm chiến sỹ hy sinh lúc làm nhiệm vụ chữa cháy Nếu vụ cháy nhà kho, bến bãi, khu công nghiệp Việt Nam diễn làm thiệt hại nhiều kinh tế doanh nghiệp, ảnh hưởng đến mơi trường sống xung quanh, vụ cháy chung cư cao tầng, khu đô thị gây thiệt hại kinh tế môi trường mà gây thiệt hại đến sức khỏe tính mạng người thống kê như: Năm 2022 thành phố Bình Dương xảy vụ cháy nghiêm trọng quán karaoke khiến 33 người chết 1.1.2 Đặc điểm thông số đám cháy công trình cơng nghiệp Đám cháy thường dễ phát triển thành đám cháy lớn, gây thiệt hại nghiêm trọng đến hàng hóa, tài sản tính mạng cơng nhân làm việc cơng trình cơng nghiệp Các hoạt động cứu người, cứu tài sản phun chất chữa cháy để khống chế dập tắt đám cháy gặp nhiều khó khăn tác động ảnh hưởng thơng số 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