Một số nghiên cứu về Robot chữa cháy, CNCH sử dụng cơ cấu di chuyển bánh xích có khớp nối

Cùng với sự phát triển của kinh tế - xã hội, tình hình cháy, nổ, tai nạn, sự cố trong các ngành công nghiệp, hóa chất và hàng không vũ trụ cũng ngày càng gia tăng.

Sau khi xảy ra cháy, nổ, môi trường sau thảm họa địa hình phức tạp, không gian nhỏ hẹp, khó khăn cho công tác cứu nạn, cứu hộ. Đồng thời, một số chất nguy hiểm có thể tồn tại trong môi trường như bụi, hóa chất, khói độc, khí độc... dễ gây nguy hiểm cho lực lượng cứu nạn, cứu hộ. Do vậy, khi vào hiện trường các vụ tai nạn, nơi có nguy cơ lớn như dễ cháy, nổ, khí độc để thực hiện các hoạt động cứu nạn, cứu hộ, rô bốt chữa cháy có thể được sử dụng để thay thế lực lượng cứu nạn, cứu hộ và có thể hỗ trợ hoạt động điều tra, kiểm tra, xử lý khói và loại bỏ các tình huống nguy hiểm. Điều này có ý nghĩa to lớn đối với sự an toàn tính mạng của lực lượng cứu nạn, cứu hộ và nâng cao hiệu quả công tác cứu nạn, cứu hộ.

Mỹ và Nhật Bản là những quốc gia đầu tiên trên thế giới nghiên cứu và ứng dụng rô bốt chữa cháy. Sau nhiều năm phát triển, rô bốt chữa cháy ở hai quốc gia này đã bước vào kỷ nguyên điều khiển thông minh. Công nghệ điều khiển rô bốt được chia thành ba giai đoạn. Trong giai đoạn đầu, rô bốt chữa cháy chỉ có chức năng điều khiển từ xa cơ bản và chức năng chữa cháy để thay thế lính cứu hỏa trong công tác chữa cháy. Giai đoạn thứ hai bổ sung chức năng nhận thức môi trường do máy tính hỗ trợ trên cơ sở giai đoạn đầu tiên, để các rô bốt có một khả năng khám phá nhất định. Giai đoạn thứ ba là giai đoạn thông minh của rô bốt chữa cháy có khả năng nhận thức mạnh mẽ, tự chủ và có thể tự quyết định và đưa ra các dự đoán như tránh đường theo môi trường hiện trường cháy. Hiện tại, rô bốt chữa cháy giai đoạn 3 là thiết bị kỹ thuật cao cấp và vẫn còn sơ khai.

Một số rô bốt chữa cháy được ứng dụng trên thế giới hiện nay là rô bốt chữa cháy Textron Thermite RS3 của Mỹ (hình 1a) được Sở PCCC Los Angeles đưa vào sử dụng năm 2020, rô bốt này di chuyển bằng cấu trúc bánh xích cố định truyền thống, và khá cồng kềnh. Rô bốt chữa cháy “Scrum Force” của Nhật Bản (hình 1b) đã được triển khai đến trạm chữa cháy ở thành phố Ichihara, tỉnh Chiba, đây là loại rô bốt bánh xe, linh hoạt và nhanh nhẹn, nhưng khả năng vượt chướng ngại vật yếu. Rô bốt chữa cháy khổng lồ của Pháp (hình 1c) là một rô bốt chữa cháy điều khiển từ xa, kiểu bánh xích, đa chức năng, áp dụng cấu trúc bánh xích cố định truyền thống. Đây là rô bốt đã được đưa vào chiến dịch chữa cháy và cứu hộ Nhà thờ Đức bà ở Pari vào tháng 4/2019. Ở Trung Quốc, có 03 loại rô bốt đang được sử dụng phổ biến, bao gồm các loại sau: một là, rô bốt chữa cháy JMX.LT50/LD50 (hình 1d) là rô bốt chữa cháy đầu tiên do Trung Quốc phát triển độc lập và di chuyển theo cách có bánh xe; hai là, rô bốt trinh sát chữa cháy JZX-GL/A (hình 1e), có khả năng trinh sát mạnh mẽ và sử dụng kết cấu bánh xích giúp nó có khả năng vượt chướng ngại vật; ba là, rô bốt phá hủy chữa cháy Brokk-50 (hình 1f), được cải tiến và dựa trên một loại rô bốt tương tự của Thụy Điển và cũng áp dụng cấu trúc bánh xích cố định truyền thống.

Hình 1. Một số rô bốt chữa cháy ở các nước trên thế giới

(a) Thermite RS3. (b) Scrum Force. (c) Giant Robot. (d) JMX.LT50/LD50. (e) JZX-GL/A. (f) Brokk-50.

Khi rô bốt chữa cháy thực hiện nhiệm vụ chữa cháy, tiền đề quan trọng nhất là rô bốt có thể di chuyển linh hoạt trong môi trường địa hình phức tạp; do đó, thiết kế của hệ thống di động là một yếu tố quan trọng để rô bốt có thể hoàn thành nhiệm vụ khác nhau.

Hiện tại, các khung gầm di động của rô bốt chữa cháy bao gồm bánh lốp, bánh xích, chân và kết cấu có những bộ phận được điều khiển bằng điện tử (kết cấu bionic). Rô bốt có bánh xe có ưu điểm là tốc độ nhanh, tính linh hoạt mạnh mẽ và điều khiển dễ dàng.

Tuy nhiên, khả năng chịu tải của bánh nhỏ và khả năng vượt chướng ngại vật kém. Rô bốt nhiều chân có thể đi bộ hoặc nhảy một cách ổn định ở những khu vực không bằng phẳng, và có thể trèo qua chướng ngại vật hoặc vượt qua những chướng ngại vật lớn.

Mặc dù nó có khả năng thích ứng cao với môi trường nhưng việc chế tạo và điều khiển nó rất phức tạp, hơn nữa chuyển động cũng rất chậm. Mặc dù tốc độ di chuyển của rô bốt bánh xích chậm hơn rô bốt có bánh, nhưng việc điều khiển rô bốt bánh xích lại đơn giản hơn và khả năng vượt chướng ngại vật mạnh mẽ hơn.

Kết cấu bánh xích truyền thống được chia thành 02 loại: loại cố định và loại có khớp nối (Hình 2). Tốc độ di chuyển của bánh xích cố định nhanh hơn loại có khớp, nhưng khả năng vượt chướng ngại vật của loại khớp nối tương đối mạnh.

Hình 2. Kết cấu bánh xích truyền thống

(a) Bánh xích cố định. (b) Cấu trúc bánh có khớp nối

Xem xét địa hình phức tạp và các yếu tố môi trường sau sự cố cháy, nổ, rô bốt mới này sử dụng cơ cấu di động với cấu trúc khớp bốn bánh, bốn ổ đĩa, với bộ giảm xóc lò xo được bổ sung ở các khớp như thể hiện trong Hình 3, cho phép rô bốt vượt chướng ngại vật mạnh mẽ và ổn định hơn.

Hình 3. Sơ đồ cấu trúc khung gầm rô bốt

Phía bên phải của Hình 4 cho thấy sơ đồ tư thế của khung rô bốt sử dụng cấu trúc bánh xích cố định truyền thống để leo qua các bậc thang. Phía bên trái hiển thị sơ đồ tư thế của khung rô bốt sử dụng khung cấu trúc có khớp nối bốn bánh, bốn dẫn động để leo qua các bậc thang. Có thể thấy, cách rô bốt sử dụng cấu trúc bánh xích cố định truyền thống có trọng tâm cao khi vượt qua chướng ngại vật và diện tích tiếp xúc giữa bánh xích và mặt đất rất nhỏ; do đó, rô bốt có độ ổn định kém và góc nghiêng của thân rô bốt lớn. Sau khi áp dụng cấu trúc khớp nối bốn bánh, bốn dẫn động, vị trí trọng tâm của rô bốt trở nên thấp hợp, diện tích tiếp xúc giữa bánh xích và mặt đất lớn hơn khi rô bốt vượt qua chướng ngại vật và độ ổn định được cải thiện. Ngoài ra, góc nghiêng của đỉnh rô bốt được giảm xuống, điều này có lợi hơn cho việc lắp đặt các cơ cấu chữa cháy khác trên đỉnh của khung rô bốt. Bằng cách so sánh tư thế của hai cơ cấu khi vượt chướng ngại vật, có thể thấy rằng cơ cấu bánh xích bốn bánh, bốn dẫn động được thiết kế có tính năng vượt chướng ngại vật và độ ổn định vượt trội.

Hình 4. Sơ đồ so sánh tư thế vượt chướng ngại vật

Rô bốt chữa cháy loại mới được giới thiệu trong bài viết này sử dụng cấu trúc bánh xích có khớp nối bốn bánh và bốn ổ dẫn động có khả năng vượt chướng ngại vật mạnh mẽ. Các đường ray phía trước và phía sau được nối với nhau bằng các miếng nối có thể di chuyển được và được trang bị lò xo giảm sốc, nhờ đó rô bốt không chỉ có khả năng vượt chướng ngại vật vượt trội mà còn mang lại độ ổn định nhất định khi vượt qua chướng ngại vật. Thông qua các cảm biến được lặp đặt, cả khung thân và màn hình chữa cháy có thể được điều khiển từ xa với tầm nhìn toàn cảnh lập thể, thuận tiện cho vòi phun chữa cháy phun ở các góc độ khác nhau và thay thế nguời điều khiển thực hiện các nhiệm vụ trong môi trường nguy hiểm. Thân xe tích hợp nhiều thông tin cảm biến, có thể truyền thông tin môi trường xun quanh và dữ liệu cảm biến của xe đến bộ thu điều khiển và ra quyết định từ xa thông qua hệ thống truyền hình ảnh và hệ thống truyền dẫn trong suốt để giúp vận hành và ra quyết định từ xa. Trong tương lai, kỹ thuật dựa trên nghiên cứu này sẽ được áp dụng để cải thiện hiệu suất của rô bốt chữa cháy./.

Nguồn: Cục Cảnh sát Phòng cháy chữa cháy