Một số giải pháp phục hồi và nâng cấp hệ thống động lực cho Robot Grizzly-1

Thông tin khoa học công nghệ S. N. Dũng, P. H. Anh, “Một số giải pháp phục hồi và nâng cấp cho robot Grizzly-1.” 190 MỘT SỐ GIẢI PHÁP PHỤC HỒI VÀ NÂNG CẤP HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC CHO ROBOT GRIZZLY-1 Sái Ngọc Dũng1*, Phan Huy Anh2 Tóm tắt: Robot Grizzly-1 là Robot chuyên dụng xử lý vật liệu nổ do Mỹ sản xuất được trang bị tại Binh chủng Công binh để phục vụ cho công tác huấn luyện, sẵn sàng diễn tập và triển khai hoạt động thực tế. Đây là một thiết bị chuyên dụng, đắt tiền nên khả năng mua sắm mới là rất khó khăn và tốn kém. Robot Grizzly-1 được đưa vào sử dụng trong nhiều năm, đã được sửa chữa, phục hồi chức năng nhiều lần nhưng cho đến nay không còn đảm bảo được các tính năng kỹ thuật. Trước tính hình đó, nhóm tác giả đã đưa ra đề xuất ứng dụng các công nghệ mới để nâng cấp, khôi phục đồng thời hiện đại hóa các chức năng hoạt động của Robot Grizzly-1.Kết quả sau khi khôi phục, nâng cấp Robot Grizzly-1 đã đảm bảo được các tính năng kỹ thuật và đạt được hiệu suất hoạt động trên 90% so với khi mới đưa vào hoạt động. Từ khóa: Robot; Grizzly-1; Động lực. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Nhiệm vụ xử lý vật nổ và phòng chống khủng bố của lực lượng Công binh là một trong những nhiệm vụ đặc biệt quan trọng, có ý nghĩa chính trị sâu sắc; cán bộ, chiến sỹ tham gia phải đối mặt trực tiếp với sự nguy hiểm, căng thẳng, phức tạp; kết quả hoàn thành nhiệm vụ ảnh hưởng trực tiếp đến sự an toàn, an sinh của xã hội, tính mạng của nhân dân. Góp phần tạo nên sự thành công của các sự kiện chính trị, ngoại giao, văn hóa, xã hội của Đảng, Nhà nước, Quân đội. Binh chủng Công binh là đơn vị duy nhất được biên chế Robot Grizzly-1 để phục vụ cho công tác huấn luyện, sẵn sàng diễn tập và triển khai thực hiện nhiệm vụ xử lý vật nổ và phòng chống khủng bố. Qua khảo sát và tìm hiểu thực tế tại đơn vị cho thấy các tài liệu hướng dẫn sửa chữa và sơ đồ nguyên lý hệ thống của Robot này còn rất nhiều hạn chế, chỉ đơn giản là các hướng dẫn vận hành Robot. Trong khi đó nhu cầu sử dụng Robot chuyên dụng xử lý vật liệu nổ Grizzly-1 phục vụ cho công tác huấn luyện, diễn tập, cứu hộ và sẵn sàng chiến đấu của Bộ Tư lệnh Công binh là rất cấp thiết. Ngoài ra trong Quân đội luôn có chủ trương sửa chữa các thiết bị theo hướng hiệu quả, hiện đại hóa và làm chủ khoa học công nghệ. Tuy nhiên hiện nay, chưa có công trình toàn diện hoặc đề tài nào nào có nghiên cứu cụ thể về Robot Grizzly-1. Theo đánh giá tổng quan, hiện nay trong nước các công trình nghiên cứu về Robot di động đã xuất hiện trong trường đại học, Viện nghiên cứu trong khoảng một thập niên gần đây. Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh đã nghiên cứu bài toán tránh vật cản trên đường đi [1], bám đường [2], hay bài toán tính khoảng cách và hướng để điều khiển Robot tiếp cận mục tiêu [3]. Trên thế giới có nhiều nhóm nghiên cứu đã đạt được những thành tựu đáng kể về điều khiển Robot di động. Nhóm tác giả Widodo Budiharto, Ari Santoso, Djoko Purwanto, Achmad Jazidie của đại học BINUS và viện công nghệ Indonesia đã nghiên cứu hệ thống điều khiển chuyển động cho Robot dùng nhiều camera cùng với bộ lọc Kalman để loại bỏ nhiễu ảnh thu từ camera cho độ tin cậy cao. Robot dựa trên hệ thống này có tên là Srikandi III [4] cho tốc độ chuyển động nhanh, độ chính xác cao trong phòng thí nghiệm. Cũng dùng 2 camera tốc độ cao nhóm tác giả Masaaki Shibata, Hideki Eto, Masahide Ito ở phòng nghiên cứu trường đại học Seikei Nhật Bản đã phát triển hệ thống tìm đường đi cho Robot tốc độ cao [5]. Trước tình hình đó, việc ứng dụng các công nghệ mới để nâng cấp, khôi phục đồng thời hiện đại hóa các chức năng hoạt động của Robot Grizzly-1 là rất cần thiết. Đây là một đề Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 191 xuất cực kỳ hiệu quả với chi phí thấp. Ngoài ra, nghiên cứu này cũng làm tiền đề cho việc khôi phục, hiện đại hóa các trang thiết bị đặc chủng cùng loại đang được sử dụng trong Quân đội cũng như các trang thiết bị được đưa vào hoạt động sau này. 2. NỘI DUNG CẦN GIẢI QUYẾT 2.1. Khái quát chung về Robot Grizzly-1 Robot Grizzly-1 là một loại Robot điều khiển từ xa bằng điện tử. Hình ảnh thực tế Robot Grizzly-1 tại đơn vị được thể hiện trên hình 1. Hình 1. Robot Grizzly-1 thực tế tại đơn vị. Thiết bị Robot GRIZZLY-1 được chế tạo từ thép tấm dày 3 mm chất lượng cao, trang bị hai động cơ điện truyền động bằng dây xích đến ba bánh xe tại mỗi bên. Nguồn điện gồm hai bình acquy với dung lượng 60 Ah, nguồn điện cũng có thể được bổ sung trong quá trình sử dụng thông qua máy nổ điện chạy xăng, máy nổ có thể dễ dàng tháo lắp trên xe.Một số thông số kỹ thuật cơ bản của Robot Grizzly-1 được nêu lên trong bảng 1. Bảng 1. Thông số kỹ thuật Robot Grizzly-1 của nhà sản xuất. 1 Kích thước (Dài x Rộng x Cao) mm Kích thước vận tải (Tối thiểu, chiều dài L1) Khi cánh tay dang rộng (Tối đa, chiều dài L2) 1500 x 680 x 900 mm 3100 x 680 x 1400 mm 2 Tải trọng tối đa của kẹp gắp Bên trên 20kg Thông tin khoa học công nghệ S. N. Dũng, P. H. Anh, “Một số giải pháp phục hồi và nâng cấp cho robot Grizzly-1.” 192 Bên dưới 60kg 3 Độ mở tối đa của kẹp gắp Bên trên Bên dưới 400 mm 700 mm 4 Độ dài mở rộng tối đa của cánh tay 400 mm 5 Trọng lượng 350 kg (không có máy phát điện) 6 Thời gian hoạt động (không có máy phát điện) 1 giờ 7 Tốc độ tối đa 3 km/h 8 Tần số truyền thông 433 Mhz 9 Tần số truyền video 1.2 Gh Cấu tạo chung của Robot GRIZZLY-1 có thể phân chia thành bốn phần chính, bao gồm: hệ thống cơ học, hệ thống điều khiển, hệ thống truyền thông và hệ thống nguồn. Hệ thống cơ học bao gồm: Thân máy chính, các cánh tay thao tác của Robot các mô tơ, hệ thống bánh răng dây xích, mâm (đế xoay), các xi lanh thủy lực, các khớp xoay và kẹp gắp. Hệ thống điều khiển bao gồm: Hộp cấu kiện điện tử, bộ điều khiển và tay cầm điều khiển. Hệ thống truyền thông bao gồm: Hệ thống thu/phát tín hiệu điều khiển, phần mềm vi xử lý, bộ xuất nhập và hệ thống video. Hệ thống nguồn gồm: Máy nổ, hai bình acquy và bộ sạc bình acquy. Sau đây ta sẽ khảo sát đánh giá kỹ hệ thống động lực của Robot và nghiên cứu, đề xuất, thực hiện các biện pháp nâng cấp, khôi phục hệ thống động lực cho Robot Grizzly-1. 2.2. Khảo sát đánh giá hệ thống động lực của Robot Grizzly-1 Hệ thống động lực học của Robot bao gồm 3 động cơ chính và các động cơ phụ trong các xi lanh kéo đẩy bằng động cơ điện, một mâm đế xoay cánh tay trên, năm bộ xi lanh thủy lực và 2 tay kẹp gắp. a) Tình trạng của hệ thống động lực Chức năng truyền động và điều khiển được thực hiện thông qua các mô tơ điện giúp truyền lực qua dây xích và ròng rọc, hai mô tơ chính hoạt động độc lập với nhau tương ứng với các bánh bên trái và bên phải và một mô tơ điều khiển hoạt động của cánh tay trên xoay quanh trục thẳng đứng của Robot. Cả hai mô tơ chính đều hoạt động yếu hơn so với công suất danh định. Khi tiến hành vượt vật cản, leo cầu thang thì Robot không vượt qua được mà chỉ tiến được một đoạn rồi sảy ra tình trạng bị mất điều khiển động cơ robot đứng im tại chỗ không thể tiến lùi hoặc quay. Các cơ cấu cánh tay hoạt động chậm chạm, đáp ứng chậm so với các lệnh điều khiển, không thể tăng tốc độ kéo dài và thu ngắn cánh tay theo thông số kỹ thuật. Đặc biệt các xi lanh bị ôxi hóa không thể co lại hết cỡ nên không thể nâng ruỗi cánh tay trong giới hạn cho phép theo yêu cầu kỹ thuật. Các động cơ trong các xi lanh khô dầu, hoạt động không trơn tru. b) Nguyên nhân Theo đánh giá khảo sát thì các động cơ chính đã bị thay thế sữa chữa không đúng động cơ nguyên bản của Robot. Các động cơ bị yếu không đủ công suất cho Robot hoạt động. Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 193 Các động cơ yếu nên khi chuyển động vượt vật cản hoặc leo cầu thang sẽ sảy ra tình trạng quá tải và tự ngắt điều khiển nên không thể tiếp tục điều khiển các động cơ. Hơn nữa cơ cấu cơ khí lắp ráp các động cơ cũng có phần làm yếu đi lực truyền của hai động cơ, hai động cơ chính không đấu nối trực tiếp với các bộ giảm tốc mà được cố định vào một giá đỡ được chế bản. 2.3. Xây dựng các giải pháp phục hồi và nâng cấp hệ thống động lực cho Robot Grizzly-1 Mọi hoạt động của Robot đều thông qua các động cơ và các cánh tay sử dụng các xi lanh kéo đẩy bằng động cơ điện. Từ đó nhóm tác giả đã đưa ra các giải pháp nâng cấp khôi phục như sau: - Thứ nhất: đối với vấn đề đông cơ yếu không đủ công suất, giải pháp khắc phục tối ưu nhất là thay mới các động cơ phù hợp đảm bảo cho Robot hoạt động. - Thứ hai: đôi với vấn đề động cơ yếu và trễ khi nhận lệnh điều khiển do cơ cấu lắp ráp thì tác giả nghiên cứu đề xuất giải pháp thiết kế lại cơ cấu cơ khí đề lắp trực tiếp các động cơ vào các bộp giảm tốc không thông qua hệ thống bánh răng dây xích. - Thứ ba: đối với các xi lanh không thể co duỗi nâng hạ hết cỡ thì cần tháo ra, sữa chữa bảo dưỡng hoặc thay thế. 3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Sau khi hoàn thành quá trình khôi phục nâng cấp, Robot Grizzly đã được vận hành thử nghiệm để kiểm tra các tính năng kỹ chiến thuật. Do điều kiện địa hình thực tế tại đơn vị nên chưa thể khai thác hết tối đa các tính năng kỹ thuật của Robot mà chỉ kiểm tra một số tính năng cụ thể như sau: 3.1. Đo kiểm tra cự ly điều khiển và thời gian hoạt động Tiến hành điều khiển, vận hành Robot tiến lùi, co duỗi các cánh tay, gắp các vật nặng. Sau hơn một giờ vận hành liên tục thì Robot vẫn nhận lệnh điều khiển và hoạt động tốt ở cự ly điều khiển 20-25 m. 3.2. Đo kiểm tra tốc độ tối đa của Robot Sử dụng máy đo vận tốc đặt trên Robot, điều khiển cho Robot di chuyển trên đường bằng với tốc độ tăng dần. Máy đo vận tốc sẽ lưu lại tốc độ tối đa của Robot và kết quả ta đo được vận tốc Robot thực tế là 3,0 km/h. 3.3. Đo kiểm tra tần số truyền thông và truyền video Sử dụng máy phân tích phổ, vận hành điều khiển Robot để kiểm tra tần số truyền thông giữa Robot với bộ điều khiển từ xa, kích hoạt điều khiển các camera để kiểm tra tần số truyền video. Kết quả kiểm tra thu được tần số truyền thông của Robot là 433Mhz, còn tần số truyền video là 1,2Ghz. 3.4. Đo kiểm tra trọng lượng tải của bộ kẹp Robot Điều khiển cho Robot kẹp gắp và nâng lần lượt các vật nặng. Kết qua thu được là Robot có thể kẹp gắp và nâng được tốt các vật nặng có trọng lần lượt 5kg, 10kg và 20kg. 4. KẾT LUẬN Sản phẩm nâng cấp, phục hồi các hệ thống động lực cho Robot Grizzly-1 đã được nghiên cứu, áp dụng các công nghệ mới đã được thử nghiệm thực tế tại đơn vị. Các kết quả đo đạc, thử nghiệm cho thấy sản phẩm của đề tài đã cơ bản đáp ứng tốt các yêu cầu về tính năng, chỉ tiêu kỹ thuật đề ra. Sản phẩm là tiền đề quan trọng trong việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các Robot chuyên dụng phục vụ công tác huấn luyện và triển khai cứu hộ cứu nạn, chống khủng bố. Các kết quả nghiên cứu cho thấy việc chế tạo các Robot chuyên dụng có các tính năng tương đương và cao hơn Robot Grizzly-1 trong thực tế là hoàn toàn Thông tin khoa học công nghệ S. N. Dũng, P. H. Anh, “Một số giải pháp phục hồi và nâng cấp cho robot Grizzly-1.” 194 khả thi khi có điều kiện nghiên cứu thêm về các phầm mềm điều khiển ngoài các hệ thống động lực của Robot, đồng thời kết hợp nghiên cứu, phát triển sâu hơn về các cơ cấu cơ khí. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Từ Diệp Công Thành, Phan Minh Trường, Phan Minh Thành: “Điều khiển rô bốt tự hành tránh vật cản sử dụng bánh dẫn hướng Ommi” - Tuyển tập hội nghị toàn quốc lần thứ 4 về Cơ điện tử, năm 2008. [2]. Võ Trung Thư, Nguyễn Anh Duy: “Ứng dụng điều khiển mờ cho bài toán bám đường của rô bốt di động bằng bánh lăn”, Tuyển tập hội nghị toàn quốc lần thứ 4 về Cơ điện tử, năm 2008. [3]. Phạm Đức Long, Phạm Thượng Cát: “Xử lý ảnh để xác định hướng và khoảng cách giữa giá đỡ và xe nâng hàng tự động”, Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá, năm 2011. [4]. Widodo Budiharto, Ari Santoso, Djoko Purwanto, Achmad Jazidie: “A Navigation System for Service Robot using Stereo Vision and Kalman Filtering” - International Conference on Control, Automation and Systems, 2011. [5]. Masaaki Shibata, Hideki Eto, Masahide Ito: “Visual tracking control for stereo vision robot with high gain controller and high speed cameras” - International Symposium on Access Spaces, 2011. ABSTRACT SOME REHIBILITATING SOLUTIONS AND UPGRADES POWER SYSTEM FOR ROBOT GRIZZLY-1 Grizzly-1 is a US-made Explosive Ordnance Disposal Robot specialized for military training, rehearsal and practical deployment. This vehicle is very expensive; hence, it is very difficult to buy a new one under limited budget. Grizzly- 1 robot has been in use for many years and has been repaired many times but so far the status quo of technical features have not been significantly maintained or improved. In this work, the study team has proposed several application of modern technologies to upgrade and restore important features of Grizzly-1 Robot. After the work, Grizzly-1 Robot can achieve over 90% of performance in which important technical features have been restored and upgraded. Keywords: Robot; Grizzly-1; Dynamics. Nhận bài ngày 29 tháng 11 năm 2018 Hoàn thiện ngày 10 tháng 12 năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 11 tháng 12 năm 2018 Địa chỉ: 1 Cục Kỹ thuật, Bộ tư lệnh Công binh; 2 Viện Điện tử - Viện KH&CN quân sự. * Email: sangocdung@gmail.com.