Thiết kế Cánh tay điều khiển hỗ trợ thám hiểm / cứu hộ đáy biển là giáo án STEM Vật lý – Kỹ thuật – Hàng hải mà trong đó các em học sinh thiết kế một cánh tay nối dài để gắp / nhặt các vật thể rồi bỏ vào một thùng chứa. Cánh tay này mô phỏng thiết bị thám hiểm / cứu hộ đáy biển.
Chuyên đề STEM liên quan: Kỹ thuật, Vật lý, Hàng hải
Bậc học: Tiểu học (Lớp 4-5), THCS (Lớp 6-8), THPT (Lớp 9-12)
Tài liệu tải về:
Mục tiêu chính
Trong bài học này, nhóm học sinh sẽ sử dụng các vật liệu sẵn có cùng thiết kế Cánh tay điều khiển hỗ trợ, một phương tiện thám hiểm / cứu hộ cho phép gắp lấy các vật thể khác nhau và thả chúng vào một thùng cách đó trên nửa mét.
Các em sẽ tìm hiểu về các phương tiện hoạt động dưới nước – điều khiển từ xa (ROV- Remotely operated underwater vehicle) và các nghề nghiệp liên quan đến thiết kế các phương tiện này. Các em cũng thực hành thiết kế, chỉnh sửa, thiết kế lại “Cánh tay Hỗ trợ” cũng như đánh giá phương án nào đáp ứng tốt nhất các yêu cầu thiết kế.
Kiến thức tích hợp
Khái niệm
Thiết bị dưới nước không người lái hay thiết bị lặn không người lái (UUV – Unmanned underwater vehicles hay underwater drones) là những phương tiện có thể hoạt động dưới nước mà không có người điều khiển trực tiếp. Chúng được phân loại thành
- Các phương tiện hoạt động dưới nước, điều khiển từ xa (ROV- Remotely operated underwater vehicle): Có thể hoạt động dưới nước mà không có người điều khiển trực tiếp, nhưng được điều khiển bởi một nhà điều hành con người từ xa.
- Các phương tiện tự động dưới nước(AUV – Autonomous underwater vehicle): Hoạt động độc lập với đầu vào trực tiếp của con người.
Lịch sử của ROV
- Phương tiện hoạt động dưới nước, điều khiển từ xa đầu tiên được chế tạo vào năm 1953, có tên gọi là Poodle.
- Năm 1974, có 20 phương tiện ROV hoạt động.
- Năm 1982, con số phương tiện ROV hoạt động đạt 500 cái.
- Năm 1998, toàn thế giới có 3000 phương tiện ROV.
Ví dụ về Cánh tay Hỗ trợ cho phương tiện ROV
Phương tiện ROV này thuộc về Tập đoàn Thám hiểm Quốc tế Nautilus Live. Tên gọi của tập đoàn này lấy cảm hứng từ Nautilus, tàu ngầm hư cấu có thuyền trưởng là Nemo trong các tiểu thuyết của nhà văn Jules Verne Hai vạn dặm dưới biển và Hòn đảo bí ẩn.
Đội ngũ thủy thủ đoàn từ 6-8 người được trả lương $50,000-$100,000 mỗi tháng khi làm việc theo ca trên biển phục vụ mục đích nghiên cứu.
Họ điều khiển phương tiện ROV làm những công việc gì?
Đội ngũ Nautilus Live bao gồm các kỹ sư, nhà khoa học, chuyên gia công nghệ, nhà giáo dục, sinh viên và lính thủy quân lục chiến Mỹ. Họ thực hiện các thám hiểm trong lĩnh vực địa chất, sinh học và khảo cổ học, đồng thời phát triển và thử nghiệm các công cụ và công nghệ sáng chế phục vụ cho khoa học và truyền thông.
Họ truyền cảm hứng cho thế hệ tiếp theo của những nhà thám hiểm biển sâu trong các lĩnh vực STEM bằng cách giới thiệu nhiều con đường sự nghiệp mà bất kỳ ai cũng có thể thực hiện để khám phá các đại dương trên thế giới.
Các vị trí trong đội ngũ điều khiển phương tiện ROV:
- Truyền thông
- Thủy thủ đoàn
- Kỹ sư Dữ liệu
- Chuyên viên Ghi nhận Dữ liệu
- Trưởng nhóm Thám hiểm
- Chuyên viên Định vị
- Hoa tiêu ROV
- Nhà khoa học
- Chuyên viên Bản đồ đáy biển
- Kỹ sư Ghi hình Video
Họ điều khiển ROV như thế nào?
Phương thức thám hiểm của tàu thám hiểm Nautilus
Họ sử dụng hai phương tiện ROV: ROV Hercules được kết nối bằng dây buộc với ROV Argus và ROV Argus được kết nối với con tàu bằng cáp bọc thép dài.
Mỗi ROV có một hoa tiêu để vận hành và giám sát sự an toàn của các hệ thống của mình.
Trong những cuộc thám hiểm lớn hơn, mỗi đội theo dõi có hai hoa tiêu ROV, vì vậy có tới sáu hoa tiêu ROV thực hiện nhiệm vụ cùng lúc. Để lái ROV Hercules lướt qua đáy biển, các phi công phải phối hợp chặt chẽ với nhau và liên lạc rõ ràng với hoa tiêu trong van điều khiển để định vị các ROV một cách an toán, tránh va chạm với nhau hay va chạm với các vật thể dưới đáy biển.
Từ bề mặt xuống đáy biển
Hoa tiêu ROV là các kỹ sư và các chuyên gia công nghệ duy trì và điều khiển mà đội thám hiểm sử dụng để khám phá đáy biển và cột nước. Các phi công đảm bảo camera, công cụ lấy mẫu và cảm biến của mỗi robot đã sẵn sàng để nhóm khoa học hoàn thành mục tiêu của họ.
Các hoa tiêu của ROV Hercules thường là những hoa tiêu cấp cao và chịu trách nhiệm về các hoạt động tổng thể khi phương tiện ở dưới nước. Họ cũng chịu trách nhiệm đảm bảo nhóm vận hành liên lạc và làm việc cùng nhau để hoàn thành xuất sắc các mục tiêu khoa học đã xác định cho mỗi lần lặn. Hoa tiêu của ROV Argus điều khiển ROV Argus và cũng đảm nhận các nhiệm vụ bổ sung – chẳng hạn như giám sát các đồng hồ đo của hệ thống và vận hành một trong các cánh tay điều khiển – để hỗ trợ phi công Hercules.
Dưới đáy biển
Khi các ROV xuống đáy biển, các hoa tiêu “lái” các phương tiện ROV liên tục mỗi lần trong bốn giờ. Khi ở trong xe điều khiển, các hoa tiêu ngồi cạnh nhau trước một loạt màn hình cảm ứng, cần điều khiển và bàn phím – chính là những bộ điều khiển cho các hệ thống ROV khác nhau.
Trong quá trình lặn, các hoa tiêu Hercules điều khiển các động cơ đẩy Hercules di chuyển về phía trước, phía sau, từ bên này sang bên kia và theo chiều dọc bằng cần điều khiển và màn hình cảm ứng. Hoa tiêu cũng điều khiển cánh tay phải của ROV để thu thập các mẫu vật sinh học, địa chất hoặc nước giúp các nhà nghiên cứu trả lời các câu hỏi về đáy biển hoặc cột nước bên trên. Cánh tay điều khiển này được điều khiển bằng cách di chuyển một phiên bản thu nhỏ của cánh tay trong phòng điều khiển.
“Học cách sử dụng cánh tay điều khiển cũng giống như học cách đi bộ. Bạn biết bạn có tất cả các khớp này và bạn biết chúng hoạt động như thế nào, nhưng bạn phải luyện tập trong thời gian dài để có thể vận động thoải mái tất cả các khớp với nhau ”
-Trevor Shepherd, Phi công ROV Hercules-
Con đường sự nghiệp
Các hoa tiêu của Hercules được đào tạo nhiều năm trong lĩnh vực này và thường có trình độ Đại học hoặc tương đương.
Một cách để làm việc với robot là trở thành Kỹ sư hệ thống Cơ khí, chế tạo các công cụ mới và làm việc với các bộ phận vật lý của các hệ thống này. Các chuyên gia Điện cũng rất quan trọng khi làm việc với hệ thống mạng, thông tin liên lạc và điện áp cao của ROV.
Các hoa tiêu học hỏi lẫn nhau trong mỗi chuyến thám hiểm và một số phi công Argus có thể trở thành phi công Hercules sau khi được đào tạo đầy đủ qua nhiều mùa. Nhiều người trong số các phi công ROV trên Nautilus bắt đầu với tư cách là thực tập sinh Kỹ thuật ROV.
Trong đội thám hiểm, các hoa tiêu ROV có bằng cấp và chứng chỉ trong nhiều lĩnh vực bao gồm Kỹ thuật Đại dương, Kỹ thuật Cơ khí, Kỹ thuật Điện, chứng chỉ Kỹ thuật viên Điện tử, Sinh học và Khoa học Máy tính.
Các nghề nghiệp khác trong đôi yêu cầu kỹ năng tương tự bao gồm: Kỹ sư Hệ thống, Kỹ sư Điện, Kỹ sư Cơ khí, Kỹ sư Dầu khí, thợ điện, thợ máy, kỹ sư Đại dương, chuyên viên đồ họa máy tính (CAD), kiến trúc sư…
Kỹ năng vận dụng
- Phân tích câu hỏi giáo viên đặt ra để lựa chọn cách thiết kế và ráp cánh tay điều khiển;
- Đánh giá: Đưa ra nhận xét về sản phẩm của nhóm mình và nhóm khác, chấm điểm sản phẩm các nhóm.
- Thực hành tạo sản phẩm – cánh tay hỗ trợ mô phỏng thiết bị thám hiểm/ cứu hộ đáy biển
- Làm việc nhóm: Phân công nhiệm vụ rõ ràng, hỗ trợ nhau.
- Thuyết trình: Trình bày một cách thuyết phục sản phẩm – mô hình cánh tay điều khiển của nhóm mình về ý tưởng, thiết kế và khả năng gắp/ thả
- Phản biện: Trao đổi, chia sẻ ý kiến cá nhân một cách thuyết phục, lắng nghe và chấp nhận ý kiến của nhau;
- Quản lý thời gian: chủ động trong thời gian quy định và phân công nhiệm vụ hợp lý để hoàn thành cánh tay điều khiển đúng tiến độ;
- Sáng tạo: Thiết kế được sản phẩm – cánh tay điều khiển hỗ trợ thám hiểm/ cứu hộ đáy biển với hình dáng đẹp, bắt mắt; sử dụng vật liệu thông minh, tiết kiệm.
- Định hướng nghề nghiêp: Có cái nhìn tổng quát về công việc thám hiểm, nghiên cứu Đại dương.
- Quản lý tài chính: Học sinh lựa chọn vật liệu đảm bảo yêu cầu của sản phẩm.
- Thái độ:
- Yêu đại dương
- Yêu thích Giáo dục STEM
- Yêu ngôi trường đang học
Câu hỏi
Bằng các vật liệu này, các em có thể lắp được cánh tay điều khiển để gắp các vật thể cách mình hơn nửa mét? Bằng cách nào cánh tay của các em lắp đặt có thể mở và đóng để gắp và thả vật thể vào một thùng đụng cách các em hơn nửa mét?
Các thách thức
Thiết kế mô hình cánh tay điều khiển hỗ trợ cho phương tiện ROV cho phép các em gắp các vật thể khác nhau, thả chúng vào thùng đựng cách đó hơn nửa mét sử dụng các vật liệu sẵn có.
Tiêu chí đánh giá
- Cánh tay điều khiển cần thực hiện được nhiều nhiệm vụ khác nhau. Ví dụ như gắp một lá bài, bỏ que tăm vào một cái ly đầy đất, hay lấy ra một que kẹo cao su giữa thanh kẹo.
- Mô hình cần sử dụng vật liệu một cách tiết kiệm để tiết kiệm chi phí. Khuyến khích các em cắt giảm chi tiết từ bản thiết kế ban đầu để có thiết kế mới tiết kiệm hơn.
Quan sát kết quả thực hành lắp đặt Cánh tay điều khiển hỗ trợ thám hiểm / cứu hộ đáy biển
Sau khi các em học sinh đã lắp, thử nghiệm và sửa đổi thiết kế của mình, hãy yêu cầu mỗi nhóm chia sẻ cách thiết kế cũng như các thay đổi trong quá trình thử nghiệm, phản ánh và chia sẻ kinh nghiệm thiết kế của mình. Bạn cũng có thể yêu cầu các em khám phá website của Nautilus để có thêm thông tin về thủy thủ đoàn và các cuộc thám hiểm đại dương.
Như vậy Sylvan Learning Việt Nam vừa chia sẻ giáo án STEM thiết kế Cánh tay điều khiển hỗ trợ thám hiểm / cứu hộ đáy biển giúp trẻ hiểu hơn về thiết bị này cũng như các công việc liên quan đến ROV. Hy vọng các thông tin thú vị và bổ ích này sẽ giúp trẻ thêm yêu thích thêm các môn học STEM.
HẤP THU KIẾN THỨC, CHỦ ĐỘNG HỌC TẬP