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 MÔ 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. HOÀNG SƠN

Hà Nội, 2021

i

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan, đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,

kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất

kỳ công trình nghiên cứu nào khác.

Nếu nội dung nghiên cứu của tôi trùng lặp với bất kỳ công trình nghiên

cứu nào đã công bố, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và tuân thủ kết luận

đánh giá luận văn của 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 này cho phép tôi được bày tỏ lòng biết ơn

chân thành và sâu sắc tới Thầy giáo hướng dẫn khoa học TS. Hoàng Sơn, đã

dành rất nhiều thời gian chỉ bảo tận tình và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này.

Trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Nhà trường, phòng Sau đại học, khoa Cơ

điện và Công trình Trường Đại học Lâm nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện

thuận lợi cho tôi hoàn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu của mình.

Trân trọng cảm ơn Lãnh đạo và đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện thuận

lợi cho tôi hoàn thành khóa học và luận văn tốt nghiệp này.

Trân trọng cảm ơn các Nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp đã đóng góp

nhiều ý kiến quý báu trong suốt quá trình làm và 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........................................................................................................... 1

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU............................. 3

1.1. Khái quát về cháy nổ tại Việt Nam......................................................... 3

1.1.1. Thực trạng cháy nổ tại các khu công nghiệp và đô thị Việt Nam .... 3

1.1.2. Đặc điểm và thông số của đám cháy công trình công nghiệp.......... 4

1.2. Khái quát về tình hình ứng dụng Robot chữa cháy trên thế giới và Việt

Nam................................................................................................................ 5

1.2.1. Ứng dụng Robot chữa cháy trên thế giới ......................................... 5

1.2.2. Ứng dụng Robot chữa cháy tại Việt Nam......................................... 9

1.3. Tình hình nghiên cứu Robot chữa cháy trên thế giới và Việt Nam...... 11

1.3.1. Tình hình nghiên cứu Robot chữa cháy trên thế giới..................... 11

1.3.2. Tình hình nghiên cứu robot chữa cháy tại Việt Nam ..................... 15

Chương 2. MỤC TIÊU, NỘI DUNG, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU................................................................ 17

2.1. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài............................................................. 17

2.2. Nội dung nghiên cứu............................................................................. 17

2.2.1. Nội dung lý thuyết........................................................................... 17

2.2.2. Nội dung mô phỏng 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 phỏng ............................................... 19

2.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn......................................... 19

Chương 3. PHÂN TÍCH TĨNH HỌC VÀ ĐỘNG HỌC ROBOT TRONG

QUÁ TRÌNH LEO CẦU THANG............................................................... 20

3.1. Mô hình đối tượng robot chữa cháy ..................................................... 20

3.1.1. Mô hình bậc cầu thang nhà xưởng Việt Nam................................. 20

3.1.2. Mô hình robot chữa cháy có khả năng leo cầu thang.................... 20

3.2. Phân tích tĩnh học Robot....................................................................... 22

3.2.1. Tĩnh học Robot khi sử dụng bánh xích trơn ................................... 22

3.2.2. Tĩnh học Robot khi sử dụng bánh xích có gai ................................ 25

3.3. Phân tích trạng thái động học robot khi leo lên cầu thang ................... 27

3.4. Phân tích trạng thái động học robot khi xuống cầu thang .................... 30

Chương 4. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC QUÁ TRÌNH

ROBOT LEO CẦU THANG ....................................................................... 36

4.1. Xây dựng phương trình động lực học robot khi leo lên cầu thang....... 36

4.1.1. Động lực học tại bước 1 khi leo lên ............................................... 36

4.1.2. Động lực học robot tại bước 2 quá trình leo lên............................ 37

4.1.3. Động lực học robot tại bước 3 quá trình leo lên............................ 38

4.1.4. Động lực học robot tại bước 4 quá trình leo lên............................ 39

4.1.5. Động lực học robot tại bước 5 quá trình leo lên............................ 40

4.1.6. Động lực học robot tại bước 6 quá trình leo lên............................ 40

4.2. Xây dựng phương trình động lực học robot khi leo xuống cầu thang.. 40

4.2.1. Động lực học robot tại bước 1 quá trình leo xuống....................... 40

4.2.2. Động lực học robot tại bước 2 quá trình leo xuống....................... 41

4.2.3. Động lực học robot tại bước 3 quá trình leo xuống....................... 42

4.2.4. Động lực học robot tại bước 4 quá trình leo xuống....................... 42

v

4.2.5. Động lực học robot tại bước 5 quá trình leo xuống....................... 43

4.2.6. Động lực học robot tại bước 6 quá trình leo xuống....................... 44

4.2.7. Động lực học robot tại bước 7 quá trình leo xuống....................... 44

4.2.8. Động lực học robot tại bước 8 quá trình leo xuống....................... 44

4.2.9. Động lực học robot tại bước 9 quá trình leo xuống....................... 44

4.2.10. Động lực học robot tại bước 10 quá trình leo xuống................... 45

4.2.11. Động lực học robot tại bước 11 quá trình leo xuống................... 45

4.3. Mô phỏng và đánh giá kết quả.............................................................. 46

4.3.1. Các tham số và giả định trong mô phỏng....................................... 46

4.3.2. Kết quả mô phỏng........................................................................... 47

4.3.3. Nhận xét đánh giá kết quả .............................................................. 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 trong xây dựng ............................................ 20

Bảng 4.1. Các thông số của robot và cầu thang.............................................. 46

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1. Robot chữa cháy công trình cao tầng được sử dụng tại Nhật Bản ... 6

Hình 1.2. Robot chữa cháy kho xăng dầu, khu vực nguy hiểm, độc hại .......... 7

Hình 1.3. Robot Thermite chữa cháy công trình cao tầng................................ 7

Hình 1.4. Robot chữa cháy Octavia do Mỹ sản xuất ........................................ 8

Hình 1.5. Robot chữa cháy QinetiQ do Anh sản xuất ...................................... 8

Hình 1.6. Robot chữa cháy do trung Quốc sản xuất ......................................... 9

Hình 1.7. Robot chữa cháy do pháp sản xuất được trang bị cho đội chữa cháy

Paris................................................................................................................... 9

Hình 1.8. Xe chữa cháy có cánh tay làm việc dạng Robot ứng dụng tại Việt

Nam................................................................................................................. 10

Hình 1.9. Xe thang chữa cháy loại cầu trục và 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. Mô tả thuật toán di chuyển của Robot chữa cháy......................... 13

Hình 1.13. Mô tả vật liệu cách nhiệt dùng cho Robot chữa cháy................... 14

Hình 1.14. Mô phỏng 3D của QRob ............................................................... 14

Hình 1.15. Mô hình Robot cảnh báo cháy ...................................................... 15

Hình 2.1. Mô tả robot chữa cháy..................................................................... 17

Hình 2.2. Mô tả robot khi leo lên cầu thang ................................................... 18

Hình 2.3. Mô tả robot khi leo xuống cầu thang .............................................. 18

vii

Hình 3.1. Mô hình cầu thang nhà xưởng Việt Nam........................................ 20

Hình 3.2. Mô hình động học của robot chữa cháy.......................................... 21

Hình 3.3. Hình dáng bánh xích của Robot chữa cháy .................................... 21

Hình 3.4. Trạng thái lúc bắt đầu leo cầu thang ............................................... 22

Hình 3.5. Trạng thái khi leo lên bậc đầu tiên.................................................. 23

Hình 3.6. Kết quả khảo sát sự biến đổi của hệ số ma sát với xích trơn.......... 24

Hình 3.7. Trạng thái lúc bắt đầu leo cầu thang trong trường hợp xích có gai 25

Hình 3.8. Trạng thái khi leo lên bậc đầu tiên trong trường hợp xích có gai... 25

Hình 3.9. Kết quả khảo sát sự biến đổi của hệ số ma sát với bánh xích gai... 26

Hình 3.10. Bước 1 quá trình leo lên cầu thang của robot ............................... 27

Hình 3.11. Bước 2 quá trình leo lên cầu thang của robot ............................... 27

Hình 3.12. Bước 3 quá trình leo lên cầu thang của robot ............................... 28

Hình 3.13. Bước 4 quá trình leo lên cầu thang của robot ............................... 28

Hình 3.14. Bước 5 quá trình leo lên cầu thang của robot ............................... 29

Hình 3.15. Bước 6 quá trình leo lên cầu thang của robot ............................... 29

Hình 3.16. Bắt đầu bước 1 quá trình leo xuống cầu thang của robot ............. 30

Hình 3.17. Kết thúc bước 1 quá trình leo xuống cầu thang của robot............ 30

Hình 3.18. Bước 2 quá trình leo xuống cầu thang của robot.......................... 31

Hình 3.19. Bước 3 quá trình leo xuống cầu thang của robot.......................... 31

Hình 3.20. Bước 4 quá trình leo xuống cầu thang của robot.......................... 32

Hình 3.21. Bước 5 quá trình leo xuống cầu thang của robot.......................... 32

Hình 3.22. Bước 6 quá trình leo xuống cầu thang của robot.......................... 33

Hình 3.23. Bước 7 quá trình leo xuống cầu thang của robot.......................... 33

Hình 3.24. Bước 8 quá trình leo xuống cầu thang của robot.......................... 33

Hình 3.25. Bước 9 quá trình leo xuống cầu thang của robot.......................... 34

Hình 3.26. Bước 10 quá trình leo xuống cầu thang của robot........................ 34

Hình 3.27. Bước 11 quá trình leo xuống cầu thang của robot........................ 34

Hình 4.1. Phân tích động lực học bước 1 quá trình leo lên cầu thang............ 36