GIỚI THIỆU
Tính cấp thiết của đề tài
Robot tự hành đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi và đầu tư phát triển mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực, bao gồm quân sự, giám sát và hoạt động trong môi trường độc hại mà con người không thể trực tiếp tham gia.
Theo báo cáo của Cơ quan Năng lƣợng nguyên tử quốc tế (IAEA) năm 2013, đã có
Từ năm 1993 đến 2012, đã có 615 vụ mất nguồn phóng xạ trên toàn cầu, tương đương với trung bình 20 đến 40 vụ mỗi năm Đặc biệt, năm 2013, IAEA ghi nhận 140 vụ mất nguồn phóng xạ, cho thấy tình hình an ninh vật liệu phóng xạ đang trở nên đáng lo ngại.
Từ năm 2013 đến quý III năm 2014, toàn cầu đã ghi nhận 266 sự cố liên quan đến nguồn bức xạ Mặc dù các quốc gia như Mỹ và Nhật Bản đã triển khai robot tự hành để thực hiện các nhiệm vụ tương tự, phần lớn vẫn phụ thuộc vào thiết bị cầm tay Ngoài ra, nhiều sự cố mất nguồn phóng xạ cũng đã xảy ra ở các nước phát triển như Nam Phi, Pháp, Đức và Canada.
Theo thống kê của Cục An toàn bức xạ và hạt nhân (ATBXHN) thuộc Bộ Khoa học và Công nghệ Việt Nam năm 2014, cả nước có hơn 6000 nguồn phóng xạ và hơn 1.000 cơ sở sử dụng thiết bị bức xạ Sự hiện diện này tiềm ẩn nhiều nguy cơ về an toàn phóng xạ, đặc biệt là trong 12 năm qua, Việt Nam đã ghi nhận 7 vụ mất nguồn phóng xạ.
Để đảm bảo an toàn phóng xạ tại các cơ sở sử dụng nguồn phóng xạ, việc trang bị thiết bị kiểm tra và dự báo là rất cần thiết Hiện nay, việc kiểm tra an toàn phóng xạ từ các nguồn công nghiệp và tự nhiên chưa được thực hiện đầy đủ do thiếu thiết bị hỗ trợ tìm kiếm nguồn phóng xạ thất lạc và ứng phó với sự cố Do đó, đề tài “Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm Robot tự hành mang thiết bị phát hiện nguồn phóng xạ dùng trong hỗ trợ sự cố hạt nhân” trở nên cấp thiết và có tính ứng dụng cao tại Việt Nam.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Hiện nay, số lượng các dự án xây dựng nhà máy điện hạt nhân và công ty sử dụng nguồn phóng xạ công nghiệp tại Việt Nam đang gia tăng Để đảm bảo an toàn cho con người và phát hiện kịp thời các rò rỉ phóng xạ trong quá trình hoạt động, việc kiểm tra thường xuyên bằng Robot tự hành trở nên vô cùng quan trọng Robot tự hành đo nồng độ phóng xạ có nhiều ứng dụng thiết thực trong việc giám sát và bảo vệ môi trường.
- Đo và phát hiện các nguồn phóng xạ và rò rỉ phóng xạ
- Hỗ trợ cứu hộ trong trường hợp có sự cố phóng xạ
- Ứng dụng trong quân sự nhƣ giám sát, kiểm tra, theo dõi
Nghiên cứu chế tạo Robot tự hành để phát hiện nồng độ phóng xạ là rất quan trọng, không chỉ về mặt khoa học mà còn trong thực tiễn Việc này giúp đảm bảo an toàn cho con người và phát hiện kịp thời các nguồn phóng xạ có thể gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Chế tạo mô hình robot tự hành nhằm phát hiện nồng độ phóng xạ, hỗ trợ xử lý sự cố trong các lĩnh vực như nhà máy điện hạt nhân, trung tâm nghiên cứu hạt nhân, và các công ty sử dụng nguồn phóng xạ tại Việt Nam.
- Tìm hiểu các nghiên cứu về robot tự hành dùng phát hiện nồng độ phóng xạ trên thế giới và đang sử dụng tại Việt Nam
Để đảm bảo hiệu quả trong các tình huống khẩn cấp, cần xác định các tính năng thiết yếu như đo nồng độ phóng xạ, khả năng quay phim, hỗ trợ cứu hộ trên địa hình phức tạp và khả năng phá bỏ một số chướng ngại vật.
- Đề xuất nguyên lý hệ thống cơ khí và hệ thống điều khiển
- Chế tạo thử nghiệm mô hình
- Vận hành thử nghiệm tính năng
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Robot tự hành có khả năng đo nồng độ phóng xạ và hỗ trợ cứu hộ trong các sự cố
- Kéo đƣợc tải trọng : 40kg
- Vƣợt đƣợc một số địa hình phức tạp
- Thiết bị đo nồng độ có phạm vi :30m
- Robot điều khiển không dây trong phạm vi : bán kính 500m
- Diện tích tìm kiếm của robot : 145 m 2
Phương pháp nghiên cứu
Áp dụng phương pháp kế thừa từ các tài liệu, đề tài và nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến robot tự hành, cũng như các nghiên cứu về đo nồng độ phóng xạ, là một bước quan trọng trong việc phát triển công nghệ và ứng dụng thực tiễn.
Tham khảo ý kiến và tài liệu từ các chuyên gia cơ khí, chuyên gia đo lường và phát hiện nguồn phóng xạ, cùng với các chuyên gia về phóng xạ công nghiệp tại các nhà máy là rất quan trọng.
1.5.3 Phương pháp tính toán mô phỏng
Sử dụng phương pháp mô phỏng để tạo ra mô hình cho robot tự hành trước khi tiến hành gia công thực tế, đồng thời kiểm tra các tính năng và độ bền của vật liệu chế tạo robot.
Ứng dụng phương pháp thực nghiệm để đo nồng độ phóng xạ từ nguồn phóng xạ là một bước quan trọng, đồng thời cũng tiến hành thử nghiệm các tính năng hỗ trợ khác của robot tự hành.
Kết cấu của luận văn
Kết cấu luận văn tốt nghiệp gồm 7 chương:
Chương 1: Giới thiệu đề tài
Chương 2 : Tổng quan về Robot tự hành và dò tìm phóng xạ
Chương 3 : Trình bày các cơ sở lý thuyết của đề tài
Chương 4 : Yêu cầu ,Thiết kế và chế tạo xe tự hành
Chương 5 : Thực nghiệm dùng xe tự hành phát hiện nồng độ phóng xạ
Chương 6 : Trình bày kết quả thực nghiệm thu được và đánh giá kết quả
Chương 7 : Trình bày về những đúc kết rút ra được trong quá trình làm luận văn và kiến nghị cần thiết để phát triển hướng nghiên cứu đề tài lên tầm cao hơn
TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH VÀ DÒ TÌM PHÓNG XẠ
Tổng quan về robot tự hành
Robot học đã có những tiến bộ đáng kể trong sản xuất công nghiệp, với cánh tay robot hoạt động nhanh chóng, chính xác và liên tục, giúp tăng năng suất lao động Chúng có khả năng làm việc trong các môi trường độc hại như hàn, phun sơn, nhà máy hạt nhân và lắp ráp linh kiện điện tử Tuy nhiên, một hạn chế chung của các robot này là không gian làm việc bị giới hạn bởi số bậc tự do của tay máy và vị trí gắn Ngược lại, robot tự hành có khả năng hoạt động linh hoạt hơn trong nhiều môi trường khác nhau.
Robot tự hành, một loại robot di động, có khả năng thực hiện nhiệm vụ mà không cần sự can thiệp của con người nhờ vào các cảm biến giúp nhận biết môi trường xung quanh Chúng ngày càng trở nên quan trọng trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, thương mại, y tế và các ứng dụng khoa học, phục vụ cho đời sống con người Sự phát triển của ngành Robot học đã nâng cao khả năng hoạt động của robot tự hành trong nhiều môi trường khác nhau, với các loại hình đa dạng như robot sơn, robot hàn, robot cắt cỏ, robot thám hiểm đại dương và robot làm việc ngoài vũ trụ Tuy nhiên, sự phát triển này cũng mang đến những thách thức mới cho các nhà nghiên cứu trong việc cải tiến và ứng dụng công nghệ.
Robot tự hành phải giải quyết vấn đề di chuyển, nhận biết môi trường và thực thi nhiệm vụ Việc lựa chọn cơ cấu di chuyển phù hợp là rất quan trọng Trong cộng đồng nghiên cứu robot tự hành, có hai hướng nghiên cứu chính đang được phát triển.
Robot tự hành có khả năng điều hướng ở tốc độ cao nhờ vào thông tin thu thập từ cảm biến Loại robot này được nghiên cứu nhằm cải thiện khả năng di chuyển và phản ứng nhanh trong môi trường đa dạng Việc ứng dụng công nghệ cảm biến tiên tiến giúp robot tự động xác định vị trí và điều chỉnh hướng đi một cách chính xác.
Robot hoạt động hiệu quả cả trong môi trường trong phòng và bên ngoài, yêu cầu khả năng tính toán mạnh mẽ Được trang bị cảm biến nhạy cao và dải đo rộng, robot có thể di chuyển nhanh chóng qua các địa hình phức tạp.
Loại robot tự hành thứ hai được thiết kế để hoạt động trong môi trường trong phòng, với cấu trúc đơn giản hơn so với loại đầu tiên Những robot này thực hiện các nhiệm vụ cơ bản, giúp giải quyết các vấn đề cụ thể trong không gian nội thất.
Thiết kế và chế tạo robot tự hành là một nhiệm vụ phức tạp, yêu cầu xác định cơ cấu truyền động và phương thức di chuyển Các yếu tố quan trọng bao gồm kết cấu cơ khí, điều hướng và hệ thống điều khiển, nhằm đảm bảo robot đáp ứng đầy đủ yêu cầu đề ra.
2.1.2 Sơ lƣợc lịch sử phát triển của robot
Năm 1921, vở kịch "R.U.R" (Rosuum’s Universal Robot) của Karel Capek ra mắt tại Tiệp Khắc, giới thiệu nhân vật "Robotnik", có nghĩa là công nhân Nhân vật này được mô tả như một khối cơ khí giống hình dáng con người Những cỗ máy này sau đó được sử dụng trong chiến tranh và cuối cùng quay lại chống lại loài người đã tạo ra chúng.
Các thành tựu trong khoa học công nghệ đã giúp giảm dần chi phí lao động khi sử dụng robot, trong khi chi phí lao động cho con người ngày càng tăng Điều này đã dẫn đến việc robot ngày càng được áp dụng rộng rãi trong sản xuất và nhiều lĩnh vực khác.
Sự pháp triển của các loại máy móc tự động đã dẫn đến sự ra đời và phát triển của các robot công nghiệp:
Bảng 2.1 Bảng thống kê các giai đoạn phát triển của robot
Vào năm 1801, Joseph Jacquard đã phát minh ra máy dệt điều khiển bằng thẻ đục lỗ, đánh dấu bước tiến quan trọng trong công nghệ dệt Trước đó, vào thế kỷ 18, những "búp bê" tự động đã thể hiện khả năng biểu diễn âm nhạc, vẽ tranh và viết chữ Một trong những sản phẩm nổi bật là "búp bê" thổi sáo của nhà cơ học Pháp Jacques Vocanson, có khả năng tạo ra 11 giọng khác nhau nhờ vào các ngón tay bấm Augustus Huber cũng đã chế tạo nhiều thiết bị tương tự, góp phần vào sự phát triển của tự động hóa trong nghệ thuật.
Vào năm 1830, Christopher Spencer, một người Mỹ, đã thiết kế máy tiện ứng dụng kỹ thuật cam Đến năm 1892, Seward Babbitt ở Mỹ phát minh ra một cần trục cơ giới hóa có kẹp để di chuyển các thỏi kim loại ra khỏi lò luyện Năm 1921, khái niệm "robot" lần đầu tiên xuất hiện trong trò chơi điện tử tại Luân Đôn, được thiết kế bởi Karel Capek, từ đó mở ra một kỷ nguyên mới cho công nghệ robot.
Năm 1948, Norbert Wiener, một giáo sư tại M.I.T, đã xuất bản cuốn sách "Cybernetics", trong đó ông mô tả khái niệm giao tiếp và điều khiển trong lĩnh vực điện tử, máy móc và hệ thống sinh vật học.
Năm 1954 Robot có thể lập trình đầu tiên đƣợc thiết kế bởi Goerge
Devoil introduced the term "Universal Automation," which was later abbreviated to "Unimation," the name of the first robotics company.
Vào năm 1962, General Motors đã lắp đặt robot công nghiệp đầu tiên, Unimate, vào dây chuyền sản xuất ô tô Đến năm 1968, SRI đã phát triển và thử nghiệm robot di động có khả năng nhìn, mang tên Shakey Năm 1973, robot thương mại đầu tiên được điều khiển bằng máy tính mini đã ra đời, đánh dấu bước tiến quan trọng trong ngành công nghiệp robot.
Richard Hohn thiết kế cho tập đoàn Cincinnati Milacron
Vào năm 1980, ngành công nghiệp robot bắt đầu phát triển mạnh mẽ với sự ra đời của nhiều robot mới và các công ty robot mỗi tháng Nhật Bản dẫn đầu thế giới về chế tạo robot, với khoảng 8000 robot đang hoạt động tại các nhà máy và cơ sở công nghiệp Mỹ và Liên Xô (cũ) đứng thứ hai, mỗi nước sở hữu khoảng 6000 robot.
Năm 1987 Richard Greenhill sáng lập tập đoàn Shadow, chuyên về sản xuất robot Năm 1989 Quân đội Mĩ đã xây dựng thành công robot Manny mô phỏng tốt
8 nhất hình dáng con người Năm 1994 Trường Đại học Carnegie chế tạo thành công robot đi bộ tám chân -
Dante ll Năm 2000 Honda ra mắt ASIMO, thế hệ tiếp theo của robot hình người
Năm 2005 Đại học Cornell đã thiết lập đƣợc robot tự tái tạo đầu tiên
Năm 2011 Honda tiếp tục thu hút đƣợc sự chú ý của toàn thế giới– Asimo
2.1.3 Phân loại robot tự hành
Tổng quan về dò tìm phóng xạ
2.2.1 Các vấn đề xã hội đặt ra
Các vấn đề liên quan đến nguồn phóng xạ như mất mát và rò rỉ thường xuyên xảy ra, gây ra những nguy cơ nghiêm trọng đối với sức khỏe con người Tình trạng này không chỉ diễn ra ở nước ngoài mà còn là mối lo ngại ngay trong nước.
Một số các vụ liên quan đến nguồn phóng xạ nước ngoài như :
- Cơ quan Năng lƣợng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) cho biết: Tính đến năm
Năm 2014, hơn 120 quốc gia đã báo cáo gần 2.500 vụ mất vật liệu phóng xạ, trong đó năm 2013 ghi nhận 140 vụ Theo thống kê, mỗi năm trên thế giới xảy ra từ 20 đến 40 vụ mất hoặc bị đánh cắp vật liệu phóng xạ, bao gồm cả những vụ liên quan đến số lượng lớn.
- Ở Nga chỉ trong 2 năm 2010 đến 2011 đã xảy ra con số khổng lồ với trên
200 vụ thất lạc nguồn phóng xạ
Nam Phi, mặc dù không phải là một cường quốc trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân, đã gây bất ngờ với con số 200 vụ mất phóng xạ xảy ra trong năm 2010.
Vào năm 2010, một trường đại học ở Ấn Độ đã gây ra một trong những vụ rò rỉ phóng xạ nghiêm trọng nhất khi bán đấu giá thiết bị chứa chất phóng xạ Co-60 cho một tiệm phế liệu, dẫn đến cái chết của một người và khiến 7 người khác phải nhập viện.
Thảm họa nguyên tử Chernobyl xảy ra vào ngày 26 tháng 4 năm 1986, khi nhà máy điện nguyên tử Chernobyl ở Pripyat, Ukraina phát nổ, trở thành vụ tai nạn hạt nhân nghiêm trọng nhất trong lịch sử năng lượng hạt nhân Đám mây bụi phóng xạ không có tường chắn đã lan rộng ra nhiều khu vực ở phía tây Liên bang Xô viết, Đông và Tây Âu, Scandinavia, Anh quốc, và đông Hoa Kỳ, gây ô nhiễm nghiêm trọng cho nhiều vùng rộng lớn thuộc Ukraina, Belarus và Nga, dẫn đến việc sơ tán và tái định cư cho hơn 336.000 người Khoảng 60% lượng phóng xạ rơi xuống Belarus, và theo báo cáo năm 2006 của TORCH, một nửa lượng phóng xạ đã rơi xuống ngoài lãnh thổ ba nước cộng hòa Xô viết Thảm họa này phát ra lượng phóng xạ lớn gấp bốn trăm lần so với quả bom nguyên tử được ném xuống Hiroshima.
Thảm họa động đất và sóng thần tháng 3/2011 tại Nhật Bản đã gây thiệt hại nghiêm trọng cho ba lò phản ứng hạt nhân, dẫn đến sự rò rỉ phóng xạ lớn Sự kiện này buộc chính quyền Nhật Bản phải thực hiện việc sơ tán dân cư và quyết định đóng cửa toàn bộ các nhà máy điện hạt nhân trên toàn quốc.
Một số các vụ liên quan đến nguồn phóng xạ trong nước như :
- Ngày 23/12/2003 nguồn phóng xạ Cs-137 của công ty cổ phần xi măng Việt Trung(Hà Nam) bị mất đến nay vẫn chƣa tìm thấy
Vào ngày 26 tháng 5 năm 2004, Viện Công nghệ Xạ hiếm tại Hà Nội đã bị mất 54,8mg chất phóng xạ Người nghi vấn đã lấy cắp hộp phóng xạ và đem bán làm phế liệu, nhưng đến nay vẫn chưa tìm thấy.
- Ngày 28/12/2007 Công ty TNHH Anpha Vũng tàu mất nguồn phóng xạ khi có 500 công nhân đang thi công giàn khoan
- Ngày 8/8/2006 Công ty Cổ phần xi măng Sông Đà (Hòa Bình) mất nguồn phóng xạ Cs-137
Gần đây, nguồn phóng xạ Co-60 được đo tại nhà máy Pomina 3 (Bà Rịa – Vũng Tàu) đã bị mất Các cơ quan chức năng hiện đang tiến hành tìm kiếm tại TP.HCM, Bình Dương và Đồng Nai, nhưng cho đến nay vẫn chưa phát hiện ra.
2.2.2 Tác hại của tia phóng xạ đối với cơ thể
Các chất phóng xạ nguy hiểm hơn nhiều so với các chất độc có nguồn gốc từ động vật hay thực vật, ngay cả những độc tố mạnh nhất Chẳng hạn, chỉ cần một phần triệu gam độc tố botulin đã đủ gây tử vong, trong khi lượng nguyên tố phóng xạ P32 nhỏ hơn hàng trăm lần so với liều độc tố này cũng có thể dẫn đến cái chết nếu hít phải hoặc ăn phải.
Bảng 2.4 : Các liều nhiễm xạ
50 0 0 Cho đến 100R không có dấu hiệu lâm sàng
Bắt đầu có tử vong
Tác hại của tia phóng xạ còn phụ thuộc vào:
- Liều hấp thụ, nghĩa là năng lƣợng hấp thụ theo từng đơn vị khối lƣợng tổ chức bị nhiễm xạ
- Thời gian bị nhiễm xạ dài hay ngắn, liên tục hay gián đoạn
- Tính chất các tia bức xạ: X, α, β hay γ…
Các cơ quan và tổ chức bị nhiễm xạ có tính chất khác nhau, trong đó tổ chức lymphô là nhạy cảm nhất, tiếp theo là tế bào biểu mô và các nhu mô của tuyến Ngược lại, các tổ chức liên kết, cơ và thần kinh có độ nhạy cảm rất thấp đối với bức xạ.
Tác hại của bức xạ ion hoá lên cơ thể người thường là:
- Nếu tác hại đến tế bào cơ thể người bị nhiễm xạ thì chính người này bị bệnh
- Nếu tác hại đến tế bào sinh dục, ảnh hưởng có thể biểu hiện đến thế hệ sau
- Mỗi liều phóng xạ nhất định không nhất thiết tương ứng với một tác hại nhất định
- Toàn bộ liều hấp thụ ở mỗi người được tích luỹ dần và không hồi phục
Tổn thương tế bào có thể dẫn đến ức chế phân chia và kích hoạt lại quá mức, gây ra sự tăng sinh ác tính Các tổn thương này bao gồm ức chế enzym, tổn thương gen và biến đổi nhiễm sắc thể Hệ quả của những tổn thương này là rối loạn chức năng của các tổ chức, đặc biệt là những tổ chức phát triển nhanh như tuỷ xương, ruột và tế bào sinh dục, có vai trò quan trọng trong sự sống.
Các nghiên cứu và đánh giá các đề tài liên quan đến luận văn
Hội thảo “ROBOTICS, CÔNG NGHỆ CỦA TƯƠI LAI” do Câu lạc bộ Nguồn nhân lực – Trường Đại học Công nghệ tổ chức sẽ diễn ra vào lúc 18h ngày 3/12/2014 tại Giảng đường 3-G3, 144 Xuân Thủy, Đại học Quốc gia Hà Nội.
Các nghiên cứu trong nước :
Đề tài Đại học mang tên “Giải bài toán cục bộ tránh vật cản cho robot tự hành” do Nguyễn Vũ Quang và Đoàn Quang Thái từ Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội thực hiện, đã được trình bày tại Hội nghị Cơ-Điện tử lần thứ I vào năm 2005 Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển các giải pháp hiệu quả nhằm giúp robot tự hành tránh vật cản trong môi trường hoạt động của chúng.
Đƣa ra đƣợc mô hình động học robot
Giải quyết đƣợc bài toán phát hiện và tránh vật cản
Đƣa ra đƣợc thuật toán
Làm mô hình thí nghiệm o Nhƣợc điểm :
Robot vẫn có khả năng va chạm với vật cản
Robot không phải lúc nào cũng về đƣợc đích
Chưa có phương trình động lực học
Tính cơ động của robot chƣa cao
Chưa tính bậc tự do và phương trình vi phân đặc trưng của robot
Chƣa xét đến độ ổn định của robot và tính kinh tế
Chƣa đƣa ra đƣợc điều kiện biên và giới hạn của robot
Đường đi chưa trơn ,tạo ra gãy khúc
Việc lập trình điều khiển khó khăn
- Đề tài Đại học“Nghiên Cứu Xây Dựng Phương Pháp Điều Khiển Robot Tự
Hành Dựa Trên Cơ Sở Logic Mờ”, Nguyễn Xuân Hoàng, Đại Học Giao
Thông Vận Tải, 2010 o Ƣu điểm :
Đƣa ra và phân tích các loại robot tự hành
Đƣa ra mô hình động học và kỹ thuật định vị cho robot
Xây dựng thuật toán ứng dụng logic mờ
Xây dựng đƣợc mô hình robot tự hành o Nhƣợc điểm :
Chƣa tính toán bậc tự do ,chƣa đƣa ra mô hình động lực học của robot
Chƣa đƣa ra đƣợc điều kiện biên và giới hạn của robot
Chủ yếu đƣa ra mô hình thí nghiệm chứ chƣa đƣa ra đƣợc mô hình ứng dụng thực tế
Chƣa tính toán tính ổn định ,tính kinh tế cho robot
Chƣa có kiểm chứng mô hình thí nghiệm ,tính hiệu quả ,khả năng làm việc
Tính cơ động của robot chƣa cao
Đề tài đại học của Ngô Mạnh Tiến tại Viện Vật lý nghiên cứu phát triển hệ robot tự hành được trang bị camera tự động nhằm mục đích tìm kiếm và bám theo các mục tiêu di động.
KH&CN việt nam), Phạm Xuân Minh (Đại Học Bách Khoa Hà Nội), 2011 o Ƣu điểm :
Đưa ra được phương trình động lực học
Xây dựng đƣợc mối quan hệ giữa camera và tọa độ thực
Thiết kế đƣợc giao diện kết nối vi điều khiển o Nhƣợc điểm:
Chỉ dừng lại ở mức nghiên cứu lý thuyết
Chưa đo lường được các đại lượng như đo gia tốc ,vận tốc động cơ
Chưa đua ra phương trình động học cho robot
- Luận văn thạc sỹ kỹ thuật ”Thiết kế và chế tạo robot vượt địa hình phức tạp”, Đặng Công Huy Minh, Đại Học Đà Nẵng, 2013 o Ƣu điểm :
Thiết kế đƣợc nghiên lý của robot
Thiết kế đƣợc mô hình thực tế của robot
Tính toán về thiết kế và điều khiển cho robot
Đƣa ra đƣợc mô hình vƣợt qua đƣợc địa hình phức tạp có giới hạn về điều kiện biên o Nhƣợc điểm
Chƣa có cở sở lý thuyết cho robot
Chƣa tính toán bậc tự do,tính kinh tế ,tính ổn định
Chƣa đƣa ra các cở sở của các đề xuất thiết kế
Tính cơ động của robot chƣa cao
Chƣa đƣa ra đƣợc điều kiện biên và giới hạn của robot
Hội nghị quốc tế lần thứ 10 về Điều khiển, Tự động hoá, Rô bốt và Thị giác máy (ICARCV 2008) diễn ra từ ngày 17 đến 20 tháng 12 năm 2008, do Đại học Công nghệ Nanyang (Singapore), Viện KH&CN Việt Nam và Hội Cơ điện tử Việt Nam phối hợp tổ chức Sự kiện này thu hút sự tham gia của 49 quốc gia trên toàn thế giới, tạo cơ hội cho các chuyên gia trong lĩnh vực chia sẻ kiến thức và kinh nghiệm.
- The first IFTOMM International Symposium on Robotics and Mechatronics (ISRM 2009) là Hội thảo khoa học đầu tiên trong một loạt các hội nghị khoa
20 học của Hiệp hội quốc tế về khoa học máy và cơ cấu (International
The Federation for the Promotion of Mechanism and Machine Science (IFToMM) will hold its biennial conference at Hanoi University of Science and Technology from September 21 to 23, 2009 This event will feature 45 scientific presentations from researchers and experts representing 14 countries, including Australia, Canada, China, Germany, Italy, Japan, Pakistan, Poland, Russia, Singapore, Taiwan, Thailand, Tunisia, and Vietnam.
- Hội nghị quốc tế về Robot và Tự động hoá năm 2014 diễn ra tại Hồng Công Các nghiên cứu nước ngoài :
The article titled "Design and Comparative Evaluation of an Iterative Contact Point Estimation Method for Static Stability Estimation of Mobile Actively Reconfigurable Robots," authored by Michael Brunner, Torsten Fiolka, Dirk Schulz, and Christopher M Schlick, was published in 2014 in Robotics and Autonomous Systems This research presents an innovative method for estimating contact points, enhancing the static stability of mobile robots that can actively reconfigure themselves, showcasing significant advancements in robotic stability assessment techniques.
Đề xuất ra một robot mới
Thích ứng với các địa hình phức tạp,bậc thang
So sánh bằng mô phỏng vật lý trong các tình huống khác nhau của robot
Đưa ra phương pháp nhanh đáp ứng các yêu cầu thực tế
Phân tích tính ổn định của kết cấu o Nhƣợc điểm :
Chưa đưa ra phương trình động học và động lực học của robot
Chủ yếu tính toán lý thuyết và mô hình hóa robot
Chƣa tính toán bậc tự do của robot
- “Design of optimal Mamdani-type fuzzy controller for nonholonomic wheeled mobile robots” Davood Nazari Maryam Abadi ,Mohammad Hassan
Khooban Đăng trên Engineering Sciences năm 2013 o Ƣu điểm :
Đưa ra được phương trình động lực học cho robot
Đề xuất bộ điều khiển cho robot
Tối ƣu hóa cho robot
Đưa ra phương pháp điều khiển logic mờ cho robot o Nhƣợc điểm
Chưa đưa ra phương trình động học
Chƣa tính toán bậc tự do cho robot
Tính toán và mô phỏng trên robot chứ chƣa có mô hình thực tế
- “Development of a Semi-Autonomous Directional and Spectroscopic
Radiation Detection Mobile Platform” A.Miller , R Machrafi , A
Đƣa ra đƣợc mô hình thực tế robot
Tính toán nguồn phát hiện nguồn phóng xạ
Mô phỏng matlap o Nhƣợc điểm :
Chƣa đƣa ra mô hình động học và động lực học của robot
Mô hình chƣa áp dụng thực tế đƣợc
Chƣa tính toán bền và tính ổn định của kết cấu robot
Robot chƣa có khả năng tự hành
Những vấn đề chung còn tồn tại và đề xuất yêu cầu thiết bị cho robot
2.4.1 Những vấn đề chung còn tồn tại
Trong phần cơ sở lý thuyết chung, các đề tài hiện tại đang thiếu sót về một số khía cạnh quan trọng như tính bậc tự do, mô hình hóa, mô hình động học và động lực học Việc tính toán phương trình động học và động lực học của robot cũng cần được chú trọng để nâng cao hiệu quả nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực này.
- Giới hạn ứng dụng và phạm vi hoạt động cũng nhƣ lĩnh vực ứng dụng của robot chƣa đề cập đến cụ thể
- Phân tích tính ổn định, tính toán về động cơ ,tính toán bộ truyền và các kết cấu cơ khí chƣa đƣợc cụ thể
- Mô hình chủ yếu dùng để học tập và nghiên cứu chứ chƣa đem ra ứng dụng và sử dụng ngoài thực tế
2.4.2 Đề xuất yêu cầu thiết bị cho robot trong luận văn
- Robot có khả năng cơ động cao : di chuyển bằng bánh xe 2 bậc tự do
- Robot có khả năng linh hoạt để đảm bảo làm việc trong các điều kiện phức tạp
- Kết cấu robot nhẹ và bền : có thể dùng kết cấu dạng tấm để đảm bảo độ bền
- Robot gắn camera điều khiển có độ nhạy cao ,gắn thiết bị chiều sáng ,gắn detector phát hiện hoạt độ phóng xạ
- Khả năng linh hoạt và chống va đập tốt : robot có thể lật ngƣợc mà không ảnh hưởng đến khả năng di chuyển
- Điều khiển robot hoạt động chế độ điều khiển bằng tay hoặc tự động
- Khả năng tiếp nhận và ghi nhận tín hiệu bằng sóng radio
- Có khả năng vƣợt qua các địa hình phức tạp và khả năng hoạt động tốt khi bị lật
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐO HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ VÀ ROBOT TỰ HÀNH
Cơ sở lý thuyết về đo hoạt độ phóng xạ
3.1.1 Những đặc tính chung của các phương pháp đo hoạt độ
Hoạt độ của các nguồn phóng xạ được đo bằng cách ghi nhận bức xạ mà chúng phát ra, với việc sử dụng một detector thích hợp đặt bên cạnh nguồn Hiệu ứng ghi nhận từ detector, biểu thị qua số đếm, chỉ số đo dòng, mức đen của kính ảnh, hoặc các đại lượng khác, tỷ lệ thuận với hoạt độ A của nguồn theo công thức a = ε.A Hệ số tỷ lệ ε, được gọi là hiệu suất ghi của thiết bị, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hiệu suất của detector và hình dạng hình học Mặc dù việc xác định hoạt độ có thể thực hiện dễ dàng nếu biết ε, nhưng việc xác định hệ số này thường rất phức tạp Bài viết sẽ trình bày các phương pháp tổng quát để giải quyết vấn đề này và nhấn mạnh những điểm đặc biệt khi ghi nhận các dạng bức xạ khác nhau như α, β, γ và nơtron.
3.1.1.1 Các phương pháp đo tích phân và vi phân
Các phương pháp đo tích phân ghi nhận hiệu ứng tổng hợp từ tác động của bức xạ đến detector, bao gồm việc tích lũy điện tích trên các tấm của buồng ion hóa, quá trình tỏa nhiệt trong nhiệt lượng kế, và sự thẩm thấu của thủy tinh.
Các phương pháp đo vi phân là những kỹ thuật ghi nhận các hạt riêng biệt, như xung điện trong các buồng và ống đếm, hoặc các vết hạt trong kính ảnh và buồng Willson Những phương pháp này giúp nghiên cứu và phân tích các hạt một cách chính xác.
Các phương pháp tích phân thường sử dụng các công cụ kỹ thuật đơn giản hơn và đã được phát triển sớm hơn so với các phương pháp vi phân Tuy nhiên, các phương pháp vi phân cung cấp nhiều thông tin hơn về các hiện tượng đang diễn ra, cho phép tách biệt các dạng hạt khác nhau một cách dễ dàng và tin cậy, đồng thời giúp tránh được các bức xạ lạ trên phông Hiện nay, các phương pháp vi phân đang ngày càng được ưa chuộng.
Trong lĩnh vực vật lý hạt nhân, 24 thực nghiệm chủ yếu áp dụng các phương pháp tích phân, mặc dù vẫn có một số trường hợp đặc biệt mà các phương pháp này vẫn được sử dụng Nội dung này sẽ được đề cập chi tiết hơn trong phần sau.
3.1.1.2 Các phép đo tuyệt đối và tương đối
Các phép đo tuyệt đối xác định hệ số ε trước khi tính toán hoạt độ A của nguồn dựa trên chỉ số a của detector Tuy nhiên, những khó khăn trong quá trình thực hiện phép đo tuyệt đối đã dẫn đến việc phát triển các phép đo tương đối, trong đó chỉ số a của detector khi làm việc với nguồn nghiên cứu ax tương đương với chỉ số aθ từ nguồn chuẩn có hoạt độ Aθ đã biết Nếu có thể so sánh hai trường hợp sao cho các hệ số ε giống nhau, ta có thể áp dụng các công thức ax = ε Ax và aθ = ε Aθ.
Có thể xác định hoạt độ chưa biết Ax thông qua các chỉ số đo trực tiếp từ detector ax và aθ, cùng với đại lượng Aθ đã biết Bài viết này sẽ tập trung chủ yếu vào các phương pháp đo tuyệt đối.
3.1.1.3 Phương pháp góc khối nhỏ
Nếu nguồn bức xạ điểm đẳng hướng И và detector Д được bố trí như trong hình 10.1, xác suất hạt rơi vào detector được xác định bằng tỷ số giữa góc khối ∆Ω mà detector nhìn thấy từ vị trí của nguồn và 4π Tỷ số này thường được gọi là thừa số hình học và được ký hiệu là G.
Xác suất hạt bay về phía detector và được ghi lại phụ thuộc vào tích εДG, trong đó εД là hiệu suất ghi riêng của detector Để xác định hiệu suất ghi tổng thể ε, cần thực hiện một loạt hiệu chỉnh nhằm khắc phục các hiệu ứng phụ như tự hấp thụ của hạt trong nguồn và sự hấp thụ, tán xạ của hạt trong không khí trên đường đến detector Những hiệu chỉnh này là cần thiết để đảm bảo độ chính xác trong việc đo lường.
25 bằng cách thêm những hệ số tương ứng f1, f2, …, fn, vốn phụ thuộc vào dạng bức xạ và các điều kiện cụ thể của thực nghiệm
Hình 3.1 Bố trí nguồn (И) và detector (Д) khi đo với các góc khối nhỏ
Để xác định thừa số hình học G liên quan đến góc khối ∆Ω, có thể sử dụng tích phân theo bề mặt của detector trong trường hợp tổng quát Trong một số trường hợp riêng, các công thức đã được đơn giản hóa, chẳng hạn như đối với detector tròn, bao gồm dạng cầu hoặc dạng trụ được bố trí phần đầu hướng về phía nguồn.
∆Ω = 2π (1-1/√ ⁄ ) (3.6) ở đây d – khoảng cách giữa detector và nguồn; D – đường kính khẩu độ
Khi nguồn kéo dài không phải là nguồn điểm và các kích thước tương đương với d và D, việc xác định thừa số G trở nên phức tạp hơn nhiều Ngay cả trong các trường hợp đơn giản, các công thức gần đúng cũng có dạng rất phức tạp.
Việc tìm góc khối ∆Ω với độ chính xác cao để thực hiện các phép đo tuyệt đối gặp nhiều khó khăn, dẫn đến việc phát triển các detector bao quanh nguồn nghiên cứu từ mọi phía Các hạt phát ra từ nguồn theo mọi hướng trong góc khối 4π đều rơi vào loại detector này, từ đó phương pháp được đặt tên Trong hình học 4π lý tưởng, hệ số G = 1 Một ví dụ về việc hiện thực hóa gần với hình học 4π là sử dụng các chất phóng xạ trong hỗn hợp điền đầy ống đếm.
Phương pháp phóng điện trong khí hoặc vào buồng, còn được gọi là phương pháp đếm khí bên trong hoặc các ống đếm điền đầy bên trong, cho thấy tính đa dạng trong việc bố trí nguồn màng mỏng giữa hai tinh thể của các ống đếm nhấp nháy Ngoài ra, việc sắp xếp nguồn photon hoặc nơtron trong thùng có chất dò tìm cũng là một ứng dụng quan trọng Một phương pháp trung gian giữa hai phương pháp đã đề cập là phương pháp hình học 2π, trong đó nguồn được bố trí trên mặt phẳng phân cách giữa thể tích làm việc của detector và môi trường xung quanh, với thừa số hình học G bằng 0,5.
Trong một phân rã tạo ra hai hoặc nhiều hạt, hoạt độ có thể được xác định bằng cách ghi nhận các tín hiệu trùng phùng từ hai detector độc lập Phương pháp này cho phép phân tích chính xác các sự kiện phân rã.
Để đảm bảo tính xác định trong quá trình phân rã, hạt β và lượng tử γ được phát ra Hai detector được đặt gần nguồn, trong đó một detector ghi nhận hạt β và detector còn lại ghi nhận lượng tử γ Công thức xác định tỷ lệ phát ra hạt β là aβ = εβ.A, trong khi tỷ lệ phát ra lượng tử γ được xác định bằng aγ = εγ.A.
Cơ sở lý thuyết về robot tự hành
3.2.1 Mô hình động học của robot
Mô hình động học của robot đƣợc minh họa ở hình 3.10
Các vector cấu hình xe đƣợc mô tả trong hệ sau:
Trong công thức Q = ϵ R^3 (3.1), X, Y và θ biểu thị vị trí và hướng di chuyển của xe Việc chuyển đổi giữa vận tốc cục bộ, được xác định tại các hệ tọa độ gắn trên xe của trung tâm khối lượng (COM), và vận tốc tổng quát là rất quan trọng trong việc phân tích chuyển động của xe.
COM : d ϵ (a,b) là khoảng cách xa tâm hình học COG ICR là vị trí trên trục giao cắt COG
Hình 3.10 mô hình động học của robot 4 bánh
Chúng ta có thể viết lại phương trình (3.4) dưới dạng S(q) ϵ R 3x2, trong đó S(q) là một ma trận và η ϵ R 2 được gọi là điều khiển vector đầu vào tại điểm mô hình động học được xác định như sau: ̇ ( ) (3.5).
Và từ các cột của S(q) luôn luôn đƣợc xác định trong không gian rổng của A(q) các biểu thức sau đƣợc thỏa mản
3.2.2 Phương trình động lực học Động lực học của robot tự hành đƣợc minh họa ở hình 3.11 Đầu tiên tôi sẽ giới thiệu về lực bên trái và bên phải sau đó mô tả động lực học bánh xe
Hình 3.11 Động lực học của tự hành robot 4 bánh
Iw là quán tính của bánh xe
Ww = ϵ R 4 là vector vận tốc góc của bánh xe τw = ϵ R 4 là vector mô ment xoắn của bánh xe
F = [ FL FR ] T ϵ R 2 là vector lực và D ϵ R 4x2
Với r là bán kính bánh xe tiếp theo là phương trình chuyển động của robot trong hệ tọa độ toàn cầu : ̈ ( ) ( ) (3.11) ̈ ( ) ( ) (3.12) ̈ ( ) (3.13)
Khối lượng của xe được ký hiệu là m, trong khi quán tính về trục z được biểu thị bằng I Các lực ma sát lăn và ma sát trước lần lượt được ký hiệu là fx và fy, và moment cản tại trục z được ký hiệu là Mr Đặc biệt, lực ma sát lăn sẽ giảm khi so sánh với các yếu tố khác.
Trong trường hợp lý tưởng, lực ma sát trượt được so sánh với mô hình thực tế của ma sát lăn trong trường hợp trượt Ví dụ, hình 3.14 minh họa cách xác định lực ma sát cho bánh trước bên trái.
( ) ( ) (3.14) Trong đó lực tác động trung bình giữa bánh xe và mặt đất bao gôm điểm điểm tiếp xúc do trọng lực đƣợc tính toán
Động lực học chuyển động thường sử dụng liên kết nonhonomic, áp dụng nguyên lý Euler-Lagrange, đồng thời giới thiệu thêm một vector để biểu hiện sự nhiễu loạn.
Trong đó M ϵ R 3x3 là ma trận khối lƣợng và quán tính
R ϵ R 3 là vector lực ma sát và moment xoắn
Fd ϵ R 3 là vector sự nhiễu loạn
Ma trận đầu vào B thuộc R3x2, trong khi F được xác định là kiểm soát đầu vào trong động lực học đã được thiết lập trước A là vector liên kết theo công thức 4, và λ là vector nhân trong phương trình Lagrange.
] (3.17) Đạo hàm phương trình( 3.5) theo thời gian ̈ ( ) ̇ ̇( ) (3.18)
Sử dụng mối quan hệ phương trình (3.5),(3.7), và (3.18) người ta có thể chuyển đổi hệ động lực học trong phương trình (3.16) thành ̅ ̇ ̅ ̅ ̅̅̅ ̅ (3.19) ̅ ̅ ̇ ̅ ̅̅̅ ̅ (3.20)
3.2.3 ác định số ậc tự o của ro ot
Robot có khả năng sử dụng 4 động cơ hoặc 2 động cơ Có thể chia ra các trường hợp sau :
- Nếu sử dụng 4 động cơ độc lập điều khiển bốn bánh xe độc lập thì robot đó là robot với 4 bậc tự do
- Nếu sử dụng 4 động với 2 cặp động cơ điều khiển cặp bánh xe thì robot này là robot với 4 bậc tự do
- Nếu sử dụng 2 động cơ điều khiển 2 bánh xe hoặc 2 bánh đai độc lập thì đó là robot 2 bậc tự do
