1. Giới thiệu tổng quan về đề tài nghiên cứu
1.4 Tình hình nghiên cứu và hướng phát triển xe đa hướng
Được biết đến khá rộng rãi, loại bánh xe đa hướng này lần đầu tiên được cấp bằng sáng chế năm 1919 do J.Grabowiecki người Mỹ. Bản vẽ lắp với các chi tiết chính là bánh xe và các con lăn ngang. Hình 1.23 Cũng cơ cấu này đã được sử dụng cho các robot mang tên RoboCup [14]. Đầu năm 1907, những nhà phát minh đã quan tâm đến việc thiết kế các loại xe có khả năng di chuyển đa hướng một cách linh hoạt mà không dùng bất kì bánh lái nào.
.
Hình 1.23: Bản thiết kế về bánh xe đa hướng đầu tiên được câp bằng sáng chế
Một trong những bánh xe đa hướng đầu tiên được phát triển bởi Bengt Ilon vào năm 1973. Trong khi làm việc ở một công ty Thuy điển có tên là Mecanum AB năm 1973, Bengt Ilon đã nghĩ ra một ý tưởng thiết kế đó chính là sắp xếp các bánh xe lệch góc của một chiếc xe 4 bánh truyền thống, và như vậy chúng sẽ cho phép tạo ra chuyển động đa hướng. Ý tưởng thiết kế này đã được đăng ký bản quyền sáng chế (Ilon 1975), và ngày nay được biết đến với tên gọi là bánh xe Mecanum. Tuy nhiên,
GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN HVTH: TRÂN ĐÌNH PHÚC với biên dạng của loại bánh xe này là dạng bầu dục, với loại bánh xe này, lực ma sát sẽ tăng lên rất lơn ở các trục của các con lăn nhỏ.
Một lựa chọn thông minh hơn đó là các con lăn Killough. Các con lăn này được dùng trong đội robot tên Cornell RoboCup năm 2000, và chúng vẫn được sử dụng cho tới năm 2004 ở cuộc thi đấu roboCup, tuy được đặt tên loại bánh xe này là Killough, nhưng các con lăn này thực tế đã được cấp bằng sáng chế vào năm 1980 bởi Bradbury.
Có rất nhiều nhóm thi đấu Robocup đã dùng các loại bánh xe này, hay được chúng được dùng rất nhiều trong các hệ thống băng tải Hình 1.23. Về mặt hình học, các loại bánh này mang đặc điểm chung đó chính là chúng chứa các con lăn nhỏ nằm ngang được bố trí theo một góc nhất định trên biên dạng tròn của bánh xe Hình 1.24a. Năm 1974 Blumrich cũng phát minh một loại bánh xe có chức năng tương tự, mặc dù nó là một dạng biến thể đơn giản của bánh xe Grabowiecki, những chiếc bánh xe này có 2 dãy con lăn, và được sắp xếp có khoảng cách nhất định Hình 1.24b. Điểm tiếp xúc với nền đường sẽ thay đổi liên tục từ bánh này đến bánh kia khi chúng quay một vòng.
Hình 1.24: Bánh xe được dùng trong các hệ thống băng tay hay trong robot.
Một ví dụ điển hình về tổ chức có kinh nghiệm cao trong lĩnh vực này đó chính là hãng hàng không vũ trụ quốc tế NASA, họ đã ứng dụng các tính năng đặc biệt của loại bánh xe này cho các nghiên cứu, thử nghiệm, thăm dò, thám hiểm ở những môi trường độc hại, nguy hiểm [2].
GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN HVTH: TRÂN ĐÌNH PHÚC
Hình 1.25: Một sản phẩm xe đa hướng của NASA
Một ví dụ khác đó chính là hãng thương mại AIRTRAX đã dùng cơ cấu bánh xe này để thiết kế xe nâng hàng, các xe hỗ trợ các công việc trên cao, các công việc mang tính linh hoạt [2].
Các loại bánh xe thông thường sự tiếp xúc với nền đường là dạng tiếp xúc đường, tuy nhiên, trong trường hợp lí tưởng đối với loại bánh xe đa hướng (Mecanum) này thì tiếp xúc là tiếp xúc điểm. Điều này dẫn đến áp lực sẽ rất lớn lên bề mặt tiếp xúc, gây tác động lớn đến đển nền đường và nhất là đối với loại bánh xe này. Bất chấp sự gia tăng áp lực cục bộ xảy ra ở bề mặt tiếp xúc điểm này, các bánh xe đa hướng Mecanum có thể giảm thiểu bằng cách sử dụng ít con lăn hơn, với 6 con lăn đã cho thấy được sự tối ưu. Thực tế đã được chứng minh bởi McCandless [10] khi ông phát triển bánh xe Mecanum mới được thiết kế tại trường đại học tây úc(University of Western Austradia)
Một nhược điểm quan trọng của mẫu thiết kế của Ilon đó chính là việc sử dụng không hiệu quả động năng mà động cơ cung cấp cho bánh xe. Do chuyển động quay của con lăn bên ngoài, chỉ có thành phần lực theo phương hướng kính của bánh xe tác dụng lên mặt nền và là thành phần lực duy nhất có tác động tạo chuyển động cho xe. Bên cạnh đó , theo Woods [10] đã nêu ra vấn đề này bằng việc giới thiệu 2 mẫu thiết kế bánh xe mới.
Một loại bánh xe với các con lăn khóa cứng và một loại bánh xe với các con lăn quay. Tuy các mẫu thiết kế này hiệu quả hơn, nhưng mức độ phức tạp tăng lên làm các mẫu thiết kế này hầu như không thực tế đối với một dự án cấp trường với một nguồn kinh phí khá hạn hẹp.
GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN HVTH: TRÂN ĐÌNH PHÚC
Hình 1.26: Mẫu thiết kế bánh xe Mecanum mới (McCandless 2001)
Có một vài mẫu thiết kế mà trong đó người ta sử dụng các viên bi để tăng khả năng chuyển động đa hướng, chẳng hạn như chúng được dùng bởi West & Asada , trong đó những viên bi được sắp xếp trải dài trên một dây xích, và Wada & Asada đã dùng bốn viên bi tiếp xúc điểm với nền đường. Các mẫu thiết kế này tương đối phức tạp và nó mang lại ít ưu điểm hơn mẫu thiết kế Mecanum. Và do đó chúng ít có khả năng được ứng dụng cho các loại xe thương mại hóa, mà trong đó chi phí chế tạo và chi phí bảo trì vận hành được giảm đáng kể bởi tính đơn giản hóa của sản phẩm.
Trải qua rất nhiều năm nghiên cứu và phát minh nhằm tìm ra những loại bánh xe có tính năng hoạt động một cách trơn tru giữa các con lăn với nhau, chẳng hạn như sắp xếp 2 dãy con lăn trên cùng một trục với mục đích tạo ra một biên dạng tròn liên kết, hay người ta kết hợp nhiều bánh xe hoạt động đồng bộ nhằm kết hợp để duy trì khoảng cách giữa xe và nền đường ví dụ như các robot trong phim viễn tưởng irobot của Mỹ sản xuất năm 2004 với những chiếc xe đa hướng lăn trên mặt cầu tròn xoay.