Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot giám sát đường ống nước thải

Đây là động lực cơ bản để ng i nghiên c u chọn h ớng nghiên c u, thiết kế một robot có thể di chuyển d ới hệ thống cống rưnh, có khả năng giám sát và truyền hình ảnh về trung tâm điều kh

hi n tốt nhi m v đề ra, ngư i nghiên cứu phơn tích môi trư ng thực t , đề xu t phư ng án di chuyển của robot trong đư ng ống thoát nư c vƠ phư ng pháp giám sát

để ghi nh n đư c những hình nh rõ nét bên trong đư ng ống Ngoài ra, lu n văn còn

đề c p đ n cách giao ti p để điều khiển robot di chuyển trong đư ng ống thoát nư c

Cuối cùng, ngư i nghiên cứu đánh giá m c tiêu thông qua thực nghi m nhiều l n trong phòng thí nghi m và c trong môi trư ng thực t

M C L C

TRANG

LÍ L CH KHOA H C i

L I CAM ĐOAN ii

L I C M N ii

TÓM T T iv

ABSTRACT v

M C L C vi

DANH SÁCH CÁC HÌNH V ix

DANH SÁCH CÁC B NG xi

C hư ng 1: TỒNG QUAN 1

1.1 Đặt v n đề 1

1.2 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu 2

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nư c .3

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoƠi nư c .5

1.2.3 ụ nghĩa khoa h c và thực ti n 7

1.3 M c tiêu và nhi m v của đề tài 7

1.3.1 M c tiêu của đề tài 7

1.3.2 Nhi m v của đề tài 9

1.4 Đối tư ng và ph m vi nghiên cứu 9

1.5 Phư ng pháp nghiên cứu 10

1.6 Th i gian thực hi n đề tài 11

Chư ng 2: THIẾT KẾ KẾT CẤU C KHệ 12

2.1 Lý thuy t về quá trình thi t k máy và chi ti t máy 12

2.2 Hi n tr ng công tác giám sát h thống thoát nư c đô th 13

2.2.1 T i các đô th nư c ngoài 13

2.2.2 T i các đô th trong nư c 13

2.3 Phân tích và lựa ch n phư ng án thi t k 15 2.3.1 Ch độ làm vi c của robotầầầầầầầầầầầầầầầầầầ.15

2.3.2 Nguyên lý ho t động ầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầ16

2.3.3 Phư ng án đề xu t cho robot giám sát đư ng ống nư c th i ầầầầ 17

2.4 Bộ ph n thân ậ khung 20

2.5 Bộ ph n di chuyển 21

2.5.1 Tính toán ch n công su t động c cho bộ ph n di chuyển robot 24

2.5.2 Thi t k bộ truyền động bánh răng 28

2.5.3 Thi t k bộ truyền động xích 28

2.5.4 Thi t k tr c dẫn động 29

2.6 Bộ ph n giám sát 31

2.6.1 Thi t k hộp b o v camera chống th m 32

2.6.2 Thi t k c c u ch nh hư ng camera 33

C hư ng 3: TệNH TOÁN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG 35

3.1 Nhi m v vƠ phư ng pháp phơn tích động lực h c robot 35

3.2 Phư ng trình động lực h c robot 35

3.3 Tính toán bộ truyền bánh răng 38

3.4 Tính toán bộ truyền xích 42

Chư ng 4: THIẾT KẾ ĐIỆN VÀ ĐIỀU KHIỂN 47

4.1 Nguồn đi n 47

4.2 M ch đi n 47

4.3 Thi t k hộp điều khiển vƠ panel điều khiển cho robot giám sát 48

4.4 Thi t k gi i thu t điều khiển robot 47

4.4.1 Điều khiển robot 49

4.4.2 Điều khiển chuyển động của Robot 49

4.4.3 Điều khiển h thống PAL-TILT camera 52

4.4.4 Điều khiển nâng ậ h camera 53

4.5 Ph n thu th p tín hi u từ Video 53

4.6 S đồ nguyên lý các m ch đi n 54

4.6.1 M ch đi n điều khiển Camera 55

4.6.2 M ch đi n điều khiển động c di chuyển 56

4.6.3 M ch đi n điều khiển tốc độ động c 54

C hư ng 5: THỰC NGHIỆM 57

5.1 M c đích thực nghi m 57

5.2 Thực nghi m 58

5.2.1 Về kích thư c 57

5.2.2 Về công su t động c 59

5.2.3 Về tốc độ robot 59

5.2.4 Về điều khiển robot ầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầ 61

5.3 K t qu thực nghi m .61

Chư ng 6: KẾT LUẬN 68

6.1 K t lu n .68

6.2 Hư ng phát triển 69

TÀI LI U THAM KH O 71

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1 Hình nh các con đư ng trong thành phố sau c n mưa 1

Hình 1.2: Robot kh o sát của cty c p thoát nư c tp Hồ Chí Minh 3

Hình 1.3: C m t i n o vét cống ng m 4

Hình 1.4: Mô hình thực t của robot v sinh vƠ giám sát đư ng ống nư c th i 5

Hình 1.5: Robot tự động KURT 6

Hình 1.6: Robot đa c m bi n trong đư ng cống, KARO 6

Hình 1.7: Robot tự động trong đư ng ống, MAKRO 7

Hình 1.8: Thể hi n trình tự v sinh cống của một nhóm công nhân 8

Hình 2.1: Hình nh bao cát đư c móc lên từ lòng cống ở đư ng Tân Kỳ - Tân Quí 14

Hình 2.2: Kiểm tra đư ng ống thoát nư c t i v trí hố ga v i đư ng kính ống 300mm 14

Hình 2.3: Bùn vƠ đá bên trong đư ng ống nư c th i 500mm 14

Hình 2.4: Bùn cao bằng mặt nư c bên trong đư ng ống nư c th i 600mm 15

Hình 2.5: Hình nh các ống cống có đư ng kính khác nhau 16

Hình 2.6: H thống truyền động của robot 18

Hình 2.7: Mô hình l p ghép hoàn ch nh 3D của robot 19

Hình 2.8: Robot giám sát ở các góc nhìn khác nhau 20

Hình 2.9: Mô hình 3D ph n thân của robot 20

Hình 2.10: L p các tr c chuyển động, bánh xe vào robot 22

Hình 2.11: Hình v các lo i gai của bánh xe 23

Hình 2.12: K t c u tr c dẫn động 29

Hình 2.13: Hộp b o v Camera 32

Hình 2.14: H thống ch nh hư ng camera 33

Hình 4.1: K t nối tủ điều khiển và Robot 48

Hình 4.2 : Panel điều khiển robot 300 49

Hình 4.3: S đồ khối điều khiển Robot 49

Hình 4.4: Điều khiển tốc độ robot 50

Hình 4.5: Gi i thu t điều khiển chuyển động của robot 51

Hình 4.7: Gi i thu t điều khiển h thống PAL-TILT camera 52

Hình 4.8 : Gi i thu t điều khiển c c u hình bình hành nâng ậ h camera 53

Hình 4.9: M ch điều khiển Camera 54

Hình 4.10: M ch điều khiển động c 55

Hình 4.11: M ch đi n điều khiển tốc độ động c 56

Hình 5.1: Mô hình thực t robot giám sát đư ng ống nư c th i 58

Hình 5.2: Robot di chuyển v i độ dốc 300 59

Hình 5.3: Các môi trư ng thực nghi m 60

Hình 5.4: Hình nh ở l n thử nghi m I 61

Hình 5.5: Hình nh ở l n thử nghi m II 62

Hình 5.6: Hình nh thu đư c từ camera trong l n thử nghi m thứ III 62

Hình 5.7: Hình nh ở l n thử nghi m IV 63

Hình 5.8: Hình nh ở l n thử nghi m V 63

Hình 5.9: Biểu đồ thể hi n mối quan h giữa tổng lực c n v i v n tốc vƠ môi trư ng thực nghi m 65

Hình 5.10: Máy đo cư ng độ ánh sáng ầầầầầầầầầầầầầầầầầầ66 Hình 5.11: Biểu đồ thể hi n mối quan h giữa kho ng cách camera quan sát rõ nh t v i cư ng độ ánh sáng và góc mở camera 66

Hình 5.12: Hình nh các v trí khác nhau bên trong đư ng ống thu đư c từ camera 67

DANH SÁCH CÁC B NG

B ng 1: Phân công công vi c c thể từng thành viên 10

B ng 2: So sánh các lo i hình truyền động 18

B ng 3: Các góc quan sát của camera 32

B ng 4 Đặc tính c khí của robot giám sát đư ng ống nư c th i 34

B ng 5: Chiều cao của robot phù h p v i kích thư c đư ng ống 58

B ng 6: Tổng lực c n của robot ứng v i v n tốc trong từng môi trư ng 64

với nhiều nguyên nhân: cũ, xuống cấp, nhiều rác thải, … đ ợc minh họa trong hình 1.1 [1]

Hình 1.1 Hình ảnh các con đường trong thành phố sau cơn mưa

Ngoài ra còn một vấn đề về hệ thống tiêu thoát n ớc rất nghiêm trọng đang

xảy ra là c thỉnh thoảng trên các tuyến đ ng tại thành phố Hồ Chí Minh lại có hiện t ợng „hố tử thần‟ do các đ ng ống thoát n ớc gây ra

Vì vậy vấn đề hệ thống thoát n ớc đang là bài toán b c xúc và nan giải c a thành phố Hiện tại để giải quyết vấn đề ngập úng, ngoài các biện pháp vĩ mô lâu dài thì lúc nào thành phố cũng phải cho các đội vệ sinh đ ng ống đến các nơi bị ngập, để làm sạch đ ng ống bị tắc Tuy nhiên, đối với loại ống có đ ng kính từ 0,2 đến 0,8m thì công nhân không thể chui lọt, do đó gây rất nhiều khó khăn cho việc làm sạch ống Ngoài ra, môi tr ng cống rất ô nhiễm, độc hại, nh Báo Tuổi Trẻ ngày 30/05/2012 đư đ a tin công nhân nạo vét cống trúng khí độc khi đang làm việc Còn để tìm ra các vết n t, các h hỏng hay những ch ớng ngại vật c a đ ng

ống làm cho đ ng ống thoát n ớc bị rò rỉ, bị vỡ hay tràn ống, ta phải dùng những con robot đ ợc nhập về từ n ớc ngoài để giám sát đ ng ống, kiểm tra xem những lỗi vị trí nào trong đ ng ống để tiến hành sửa chữa đ ng ống Đây là động lực

cơ bản để ng i nghiên c u chọn h ớng nghiên c u, thiết kế một robot có thể di chuyển d ới hệ thống cống rưnh, có khả năng giám sát và truyền hình ảnh về trung tâm điều khiển

Một số khái niệm liên quan đến đề tài :

- Robot là một hệ thống thiết bị tự động thực hiện nhiệm vụ bằng sự điều khiển c a máy tính hoặc các vi mạch điện tử đ ợc lập trình, … bao gồm robot công nghiệp và robot dịch vụ Robot công nghiệp là một hệ thống tự động kiểm soát, lập trình, đa ch c năng, điều khiển lập trình trong ba hoặc nhiều trục, có thể đ ợc đặt

cố dịnh hay di động để sử dụng trong các ng dụng tự động hóa công nghiệp Robot dịch vụ là robot hoạt động bán tự động hoặc hoàn toàn tự động để thực hiện dịch vụ hữu ích cho phúc lợi c a con ng i và thiết bị, không bao gồm hoạt động sản xuất [2] Robot giám sát đ ng ống n ớc thải là loại robot dịch vụ

- Giám sát đ ợc định nghĩa là một ch c năng đ ợc thực hiện một cách liên tục giúp ta theo dõi những thành quả (hình ảnh) thông qua việc th ng xuyên thu thập thông tin để kịp th i hỗ trợ việc ra quyết định

- Hệ thống thoát n ớc c a n ớc ta đ ợc phân biệt nh sau: hệ thống thoát

n ớc chung là hệ thống mà tất cả các loại n ớc thải (sinh hoạt, sản xuất, n ớc m a)

đ ợc xả chung vào một mạng l ới và dẫn đến công trình làm sạch và hệ thống thoát

n ớc riêng là hệ thống có hai hay nhiều hệ thống cống riêng biệt nh là một dùng

để vận chuyển n ớc bẩn nhiều (n ớc sinh hoạt, sản xuất), một là vận chuyển n ớc ít bẩn hơn (n ớc m a)[3]

1.2 T ng quan chung v lĩnh v c nghiên cứu:

Hệ thống đ ng ống thoát n ớc cũ kỹ sẽ gây ra nhiều hiện t ợng nh l ợng bùn, rác lắng đọng nhiều sẽ gây ngập khi có m a nhiều, đ ng ống có vết n t, có

h hỏng gây ra vỡ đ ng ống, … là những vấn đề cực kỳ nan giải đối với bất c thành phố nào trên thế giới Dù nhận th c đ ợc tính chất nghiêm trọng c a vụ việc,

nhiều chính quyền thành phố vẫn không khắc phục đ ợc kịp th i hệ thống ống n ớc

do rất khó tiếp cận những đ ng ống bị bể hoặc rò rỉ Hiện nay, cách th c đ ợc áp dụng là đào đ ng những khu vực bị nghi ng h hỏng, dù ph ơng pháp này rất

bị động và hao tiền tốn c a Đó là ch a kể có những khu vực không thể đào hầm

đ ợc vì nhiều lý do Đ ng tr ớc vấn đề cấp thiết trên, các nhà nghiên c u tìm cách chế tạo robot có khả năng di chuyển bên trong đ ng ống và khắc phục sự cố (sewer robot)

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước:

Hiện nay, việc giám sát để sửa chữa, bảo d ỡng và vệ sinh các đ ng ống thoát n ớc n ớc ta vẫn ch yếu dùng s c lao động c a con ng i Cũng có một vài robot chuyên dụng nh ng ch yếu để thăm dò và đều đ ợc nhập từ n ớc ngoài, giá thành cao, …

- Robot gần đây nhất có mặt tại Việt Nam vào năm 2003 là robot khảo sát

đ ng ống c a công ty TNHH một thành viên thoát n ớc đô thị tp Hồ Chí Minh trong hình 1.2 [1]

Hình 1.2: R obot khảo sát của cty cấp thoát nước tp Hồ Chí Minh

Đây là robot nhập khẩu từ hưng CUES c a Mỹ bao gồm: một xe chuyên dụng và hai robot giám sát Robot đ ợc trang bị hai camera riêng biệt dùng để quay ngang, nghiêng và phóng đại Hệ thống ghi hình và trình diễn dữ liệu hình ảnh thu

đ ợc từ đ ng ống thông qua màn hình TV 14”, độ phân giải 450 dòng, tiêu chuẩn màu PAL và NTSC, loa gắn trong Sau khi kết thúc công việc khảo sát sẽ xuất kết quả ra file video Chiều dài khảo sát tối đa bằng chiều dài dây cáp là 300m

- Từ tháng 8/2003 đến tháng 3/2004, Công ty thoát n ớc & phát triển đô thị

tỉnh Bà Rịa – tp Vũng Tàu đư nghiên c u, chế tạo thành công cụm t i máy nạo vét

cống ngầm theo hình 1.3 [1] Công trình khoa học này do KS Hoàng Đ c Thảo,

Tổng giám đốc Công ty ch trì với các cộng sự là một số kỹ s và công nhân c a công ty thực hiện

Cụm t i này gồm hai hệ thống hoàn chỉnh hai đầu để điều khiển một thiết

bị nạo vét di chuyển dọc theo trục giữa hai t i, thông qua sợi dây cáp nối vào hai đầu thiết bị nạo vét Mỗi cụm t i gồm: một động cơ điện 6-7.5 HP, máng tr ợt, t i máy, puly truyền cáp, ống PVC 15x21, dây cáp đ ng kính 6mm, gàu ch a bùn,

quả cầu cho cống Ø600, quả cầu cho cống Ø600-800, quả cầu cho cống Ø800-1200, gàu múc bùn, … Qui mô kính th ớc: dài x rộng x cao là 1140x800x360mm Trọng

l ợng trung bình: 50-60kg; Công suất làm việc 500-600 kW

Hình 1.3 : Cụm tời nạo vét cống ngầm

Tháng 11/2011, nhóm sinh viên thuộc khoa Chất l ợng cao tr ng Đại học

S phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh thực hiện đồ án tốt nghiệp với tên đề tài là

“Thiết kế và chế tạo Robot vệ sinh và giám sát đ ng ống n ớc thải” (hình 1.4)

d ới sự h ớng dẫn c a TS Nguyễn Tr ng Thịnh [4] Robot này có các đặc điểm sau: robot làm nhiệm vụ vệ sinh và giám sát đ ng ống n ớc thải, robot làm việc

đ ng cống có đ ng kính 300mm, hình th c di chuyển c a robot là bánh xích đặc biệt, kết cấu cơ khí thì ph c tạp, camera hồng ngoại cố định Robot này đ ợc mọi ng i biết đến thông qua các ph ơng tiện truyền thông, tuy nhiên ch a đ ợc

đ a vào sử dụng rộng rưi vì nó còn một số nh ợc điểm cần cải thiện nh lààmo

robot di chuyển bằng xích nên th ng xuyên gặp tr ngại khi môi tr ng cống Việt Nam có nhiều than vụn và đá nhỏ và cụm vệ sinh (phần l ỡi cắt) làm việc

ch a hiệu quả do môi tr ng cống rất độc hại, kim loại dễ bị oxi hóa

Hình 1.4: Mô hình thực tế c a robot vệ sinh và giám sát đ ng ống n ớc thải Trong khoảng 10 năm nay, có nhiều nhóm nghiên c u c a các tỉnh, thành phố trong cả n ớc tham gia nghiên c u vào lĩnh vực thoát n ớc tạo ra những robot

có khả năng giám sát và vệ sinh đ ng ống n ớc thải Tuy nhiên, những robot này vẫn ch a đ ợc biết đến một cách rộng rưi

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước:

- Năm 1995, đánh dấu b ớc phát triển c a robot KURT Untersuchungs-Roboter-Testplattform ) tại học viện AIS (Kirchner & Hertzberg, 1997), hình 1.5 [5]

(Kanal-Đặc tính c a robot KURT là một robot tự động có sáu bánh, kích th ớc

30×45×30cm, ba bánh hai bên đ ợc kết nối bằng đai truyền, mỗi bên đ ợc điều khiển bằng một động cơ DC, động cơ đ ợc điều khiển bằng mạch điều khiển riêng biệt Về hệ thống máy quay: robot đ ợc trang bị một camera CCD - camera có thể quay 180o và cho phép ghi lại mọi vật tr ớc robot, tín hiệu c a camera đ ợc truyền thông qua khe cắm ISA – bus với máy tính Và hệ thống cảm biến gồm hai máy đo

độ nghiêng đặt d ới gầm xe và năm đầu dò siêu âm cho phép phát hiện vật cản

tr ớc và sau robot với khoảng cách tối đa là 100cm và tối thiểu là 1cm

Hình 1.5: Robot t ự động KURT

- Vào năm 1998, robot thăm dò đ ng ống KARO (hình 1.6 [6]) cũng đ ợc nghiên c u và thử nghiệm tại Đ c Dự án đ ợc tài trợ b i The German Ministry for Research and Education (BMBF) Sự đổi mới c a KARO chính là sử dụng một dải nhiều các cảm biến, cụ thể là: cảm biến vi sóng, cảm biến quang học, camera và

cảm biến siêu âm KARO có thể đ ợc sử dụng giám sát trong các đ ng ống biến dạng, trong các ống dẫn lớn bị n t

Hình 1.6: Robot đa cảm biến trong đường cống, KARO

- Vào năm 1997 – 2001, robot MAKRO (hình 1.7 [7]) đ ợc chế tạo và phát triển b i một nhóm kĩ s ng i Đ c Đặc tính c a robot MAKRO gồm sáu đoạn

đ ợc nối liền với nhau b i năm motor điều khiển cho phép robot có thể leo từng

b ớc và quay tr lại MAKRO là robot tự động hoàn toàn, có thể vệ sinh làm sạch

những đ ng cống có kích th ớc trong khoảng 300 đến 600mm trong điều kiện khô ráo Đ ợc duy trì năng l ợng bằng pin NiCd, cho phép robot hoạt động liên tục trong hai gi

Hình 1.7: Robot t ự động trong đường ống, MAKRO

1.2.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn :

Hiện nay, trên thế giới đư có rất nhiều các loại robot đ ợc chế tạo để phục vụ cho nhiều mục đích làm việc d ới đ ng ống ngầm Trong đó, hầu hết là các dạng robot di chuyển và kiểm tra đ ng ống, chỉ một số nhỏ robot có khả năng làm sạch

đ ng ống tuy nhiên họ chỉ mô tả các công trình làm sạch đơn giản, có xu h ớng chuyên ngành Hệ thống thoát n ớc Việt Nam có đặc điểm là nhiều rác thải, các

đ ng ống không đồng nhất trên một tuyến đ ng do đó những robot trên khó có thể áp dụng vào hệ thống cống n ớc ta Vì vậy để đáp ng đ ợc nhu cầu cấp thiết

về giám sát hệ thống đ ng ống n ớc thải Việt Nam, đề tài này nghiên c u về việc tích hợp các năng lực khác nhau trên robot để có thể di chuyển và kiểm tra hoàn thiện nh một robot chuyên nghiệp hoạt động khả thi nhất

1.3 M c tiêu vƠ nhi m v của đ tƠi :

1.3.1 M ục tiêu của đề tài :

Công việc giám sát hệ thống thoát n ớc là một công việc nguy hiểm, độc hại, ảnh h ng đến s c khỏe ng i lao động nh hình 1.8 Bên cạnh đó, để kiểm tra

những đ ng ống có kích th ớc nhỏ, công nhân không thể chui lọt nên không thể thực hiện đ ợc công việc giám sát, ta chỉ có thể dùng đèn pin quan sát đoạn đ ng ống gần hai đầu hố ga mà không thể thấy sâu vào bên trong đ ng ống, không thể

thấy đ ợc những vết n t, những nguy cơ có thể gây ra „hố tử thần‟ hay là những việc con ng i cố tình tạo ra nh là tự ý thải n ớc sản xuất ch a đ ợc xử lý, …

Nhằm giải quyết hiện trạng trên, cũng nh sử dụng tự động hóa thay cho s c lao động và tránh để ng i công nhân làm việc với môi tr ng độc hại thì việc nghiên c u, thiết kế robot có ch c năng giám sát đ ng ống n ớc thải là mục đích

c a đề tài để có thể đem lại nhiều tiện ích, giảm hao phí lao động và mang lại hiệu

quả kinh tế

Hình 1.8: Th ể hiện trình tự vệ sinh cống của một nhóm công nhân

Để thỏa mãn những yêu cầu trên thì khi nghiên c u thiết kế robot có ch c năng giám sát đ ng ống n ớc thải, ng i nghiên c u phải đảm bảo một số mục tiêu:

- Robot phải di chuyển đ ợc trong môi tr ng cống tròn,

- Có thiết bị điều khiển từ xa có thể thông qua dây cáp điều khiển,

- Có đ ng dẫn năng l ợng điều khiển và động lực xuống robot,

- Truyền lệnh điều khiển từ trung tâm điều khiển xuống robot và nhận dữ liệu quay tr lại trung tâm điều khiển,

- Có thể xác định đ ợc tọa độ các điểm l u ý

1.3.2 Nhi ệm vụ của đề tài:

- Tìm hiểu tổng quan c a đề tài, hiện trạng hệ thống thoát n ớc Việt Nam,

- Xây dựng ph ơng án thiết kế robot giám sát đ ng ống n ớc thải và chọn

ph ơng án khả thi,

- Thiết kế phần cơ khí, phần điện, phần điều khiển, phần thu nhận tín hiệu,

phần xử lý và l u trữ dữ liệu cho robot,

- Chế tạo thử nghiệm robot, tiến hành thử nghiệm nhiều lần tại phòng thí nghiệm với nhiều môi tr ng khác nhau, đánh giá kết quả và hiệu chỉnh,

- Triển khai thực nghiệm tại công ty, hiệu chỉnh và hoàn thiện thiết kế,

- Thực hiện các công việc nh viết báo cáo, chỉnh sửa, in ấn để hoàn tất đề tài

Do đây là một đề tài rất rộng, môi tr ng làm việc rất ph c tạp lại bao hàm nhiều kiến th c chuyên môn khác nhau mà th i gian làm luận văn thì có hạn nên

một mình tôi không thể làm đ ợc tất cả các công việc trên Vì vậy để thực hiện hoàn tất đ ợc đề tài này, tôi và một nhóm – ba em sinh viên cùng thực hiện với từng công việc đ ợc phân công cụ thể nh bảng 1

1.4 Đ i tư ng vƠ ph m vi nghiên cứu :

Đối t ợng đ ợc đề cập trong đề tài là một hệ thống bao gồm bộ phận di chuyển (xe robot) và bộ phận giám sát (camera) làm công việc giám sát trong môi

tr ng ẩm ớt, có thể di chuyển linh hoạt xuyên suốt một đoạn ống thẳng, đ ợc gắn camera để ng i điều khiển có thể quan sát và kiểm tra tình trạng cống, đồng th i điều khiển robot vận hành qua một dây cáp

Đề tài này chỉ nghiên c u thiết kế robot giám sát đ ng ống n ớc thải di chuyển thẳng trong đ ng ống tròn có kích th ớc 350 † 500 mm, làm việc môi

tr ng mực n ớc trong đ ng ống thấp (không quá ½ mực n ớc trong ống) và

đ ng ống đư đ ợc làm sạch sơ bộ

Bảng 1: Phân công công việc cụ thể từng thành viên

Lê Minh Đạo

Vũ Ngọc Tuyển

7 Đánh giá kết quả và thử nghiệm Trần Tuyết Quyên

8 Triển khai thực nghiệm tại công ty,

hiệu chỉnh và hoàn thiện thiết kế

Trần Tuyết Quyên Nguyễn Ngọc An

Lê Minh Đạo

Vũ Ngọc Tuyển

9 Thực hiện các công việc kết thúc đề

1.5 Phư ng pháp nghiên cứu:

Để hoàn thành tốt mục tiêu đề ra c a đề tài, ph ơng pháp nghiên c u đ ợc đ a

ra là:

- Nghiên c u các sản phẩm đư có trên thế giới thông qua các phát minh sáng

chế, tài liệu khoa học, các cataloge c a các công ty sản xuất trong và ngoài n ớc,

- Khảo sát điều kiện làm việc và các yêu cầu kỹ thuật hệ thống thoát n ớc c a thành phố,

- Xây dựng ph ơng án thiết kế robot giám sát đ ng ống n ớc thải và chọn

ph ơng án khả thi,

- Thiết kế phần cơ khí, phần điện, phần điều khiển, phần thu nhận tín hiệu, phần

xử lý và l u trữ dữ liệu cho robot,

- Chế tạo thử nghiệm robot, tiến hành thử nghiệm tại phòng thí nghiệm, đánh giá kết quả và thử nghiệm,

- Triển khai thực nghiệm tại công ty, hiệu chỉnh và hoàn thiện thiết kế,

- Thực hiện các công việc kết thúc đề tài

1.6 Thời gian th c hi n đ tƠi:

- Tháng 02/2011: Nhận tên đề tài,

- Tháng 02 – 06/2011: Tìm hiểu tình hình nghiên c u trong và ngoài n ớc đư

thực hiện các vấn đề có liên quan đề tài,

- Tháng 07 – 12/2011: Thực hiện các nội dung trong phần tổng quan và xác định các công việc cần thực hiện trong đề tài,

- Tháng 01/2012: Bảo vệ và hiệu chỉnh chuyên đề 2,

- Tháng 02/2012: Thiết kế và chế tạo bộ phận di chuyển,

- Tháng 03/2012: Thiết kế và chế tạo bộ phận giám sát,

- Tháng 04/2012: Thiết kế và chế tạo hệ thống điện – điều khiển,

- Tháng 05/2012: Tiến hành thử nghiệm tại phòng thí nghiệm (Open Lab) và

thực nghiệm tại công ty,

- Tháng 06 - 07/2012: Hiệu chỉnh và hoàn thiện thiết kế,

- Tháng 08 – 09/2012: Thực hiện các công việc kết thúc đề tài

C hư ng 2 THIẾT KẾ KẾT CẤU C KHệ

2.1 Lý thuy t v quá trình thi t k máy và chi ti t máy:

Quá trình thiết kế máy không chỉ đơn thuần là lựa chọn các chi tiết máy mà là

một quá trình sáng tạo, thể hiện ý t ng c a ng i thiết kế Thông th ng ng i thiết kế có thể lựa chọn một trong rất nhiều chi tiết để thực hiện một ch c năng nào

đó trong hệ thống cơ khí Do đó khi đ ợc cung cấp kiến th c đầy đ về chi tiết máy thì việc thiết kế máy càng tốt hơn Để thỏa mãn các yêu cầu chung c a máy, quá trình thiết kế máy cũng t ơng tự quá trình thiết kế một sản phẩm, bao gồm các nội dung sau:

a) Xác định nhu cầu thị tr ng về máy thiết kế

b) Xác định yêu cầu kỹ thuật cho máy

c) Xác định nguyên lý hoạt động và chế độ làm việc c a máy dự định thiết kế,

lựa chọn ph ơng án các sơ đồ nguyên lý để chọn ra sơ đồ hợp lý nhất Hình thành

g) Tiến hành tính toán động học, lực tác dụng và tính toán thiết kế (kết hợp thiết kế tối u) nhằm định ra các kích th ớc gần đúng c a chi tiết máy và để thỏa mãn các chỉ tiêu làm việc c a chúng Trên cơ s đó kết hợp với các yêu cầu về tiêu chuẩn hóa, lắp ráp, công nghệ chế tạo và các yêu cầu cụ thể khác để xác định lần

cuối kích th ớc c a chi tiết máy, bộ phận máy và toàn máy Tính toán kiểm nghiệm sau khi đư biết kết cấu để bảo đảm khả năng làm việc, an toàn và tin cậy cho máy…

h) Sản xuất thử, điều chỉnh, sửa chữa lại thiết kế…

i) Lập tài liệu thiết kế: thuyết minh, h ớng dẫn sử dụng, bảo d ỡng và sửa

chữa máy

2.2 Hi n tr ng công tác giám sát h th ng thoát nước đô thị

2.2.1 T ại các đô thị nước ngoài:

các n ớc phát triển, hệ thống thoát n ớc và xử lý n ớc thải đ ợc quy hoạch, thiết kế xây dựng hiện đại, đồng bộ, công tác giám sát và bảo d ỡng hệ thống cống ngầm đ ợc ng dụng hầu hết bằng cơ giới

2.2.2 T ại các đô thị trong nước:

Hệ thống thoát n ớc công cộng Việt Nam hoạt động trong những điều kiện không tốt: n ớc thải có thể bị rò rỉ ra ngoài, có thể gây ô nhiễm đất và n ớc ngầm Thông th ng, n ớc thải bao gồm các hóa chất th ng đ ợc sử dụng hiện nay Chúng ch a những thành phần kim loại nặng không có khả năng phân h y sinh học

và có thể tích lũy trong cặn sông, thực vật, côn trùng và cá Chúng th ng có nguồn gốc từ công nghiệp và có thể gây độc hại cho con ng i và sinh vật Việt Nam, đôi khi, chất thải công nghiệp chảy vào cống hoặc các hộ gia đình luôn luôn xả tất

cả mọi th sản phẩm mà họ sử dụng vào n ớc thải Trong khi đó, hầu hết các đ ng ống n ớc thải tại Việt Nam có kích th ớc cống mà ng i không thể chui qua đ ợc với đ ng kính nhỏ hơn 0.8(m) Đó là nguyên nhân đ ng cống thoát n ớc bị tắc nghẽn, n ớc cống bị đọng, không chảy đ ợc, gây ngập và ô nhiễm cho khu vực Bên cạnh đó, công tác giám sát cống ngầm, kênh m ơng thoát n ớc Việt Nam

vẫn ch a thực hiện đ ợc, chỉ nạo vét cống bằng ph ơng pháp th công là ch yếu Công việc này nặng nhọc, độc hại, năng suất lao động thấp, thi công khó khăn, nhiều nguy hiểm nh hình 2.1 Đặc biệt là tại nhiều vị trí, tuyến cống ngầm, kênh

m ơng thoát n ớc không thể nạo vét đ ợc minh họa từ hình 2.2 đến 2.4

Hình 2.1: Hình ảnh bao cát được móc lên từ lòng cống ở đường Tân Kỳ - Tân Quí

Hình 2.2 : Kiểm tra đường ống thoát nước tại vị trí hố ga với đường kính ống 350mm,

Hình 2.3 : Bùn và đá bên trong đường ống nước thải 500mm,

Hình 2.4 : Bùn cao bằng mặt nước bên trong đường ống nước thải 500mm

2.3 Phân tích và l a ch ọn phư ng án thi t k :

2.3.1 Yêu c ầu kỹ thuật của robot:

Robot làm việc trong môi tr ng cống rất độc hại, kim loại rất dễ bị ăn mòn khi tiếp xúc với môi tr ng này nên ng i nghiên c u chọn vật liệu là thép chất

l ợng cao bên ngoài có ph lớp sơn tĩnh điện để hạn chế sự ăn mòn Ngoài ra, môi

tr ng làm việc c a robot có n ớc nên việc chống thấm cho robot là rất cần thiết

Ng i nghiên c u sử dụng đệm cao su giữa các mối ghép để mối ghép đ ợc kín và

sử dụng silicon bao ph mối ghép để robot không bị thấm n ớc Robot di chuyển

thẳng trong đ ng cống tròn, khoảng cách di chuyển tối đa là giữa hai hố ga Kích

th ớc c a robot phụ thuộc vào đ ng kính cống và kích th ớc c a hố ga Nhiệm vụ chính c a robot giám sát đ ng ống n ớc thải là giám sát vì vậy robot đ ợc yêu cầu

di chuyển chậm với tốc độ 5 km/gi Ng i nghiên c u cần tính toán khối l ợng

c a robot để làm sao thắng nổi lực phản xạ khi robot di chuyển trong môi tr ng có

n ớc Để robot làm việc đ ợc trong đ ng ống có nhiều kích th ớc khác nhau thì robot phải có cơ cấu nâng hạ cụm camera và để robot giám sát đ ợc mọi góc độ bên trong đ ng ống thì cụm camera phải có cơ cấu quay Ngoài ra sử dụng dây cáp để robot cung cấp nguồn năng l ợng cho động cơ robot và camera hay truyền các lệnh

từ ng i điều khiển đến thiết bị, đồng th i truyền dữ liệu tr lại ng i điều khiển

2.3.2 Nguyên lí ho ạt động:

Robot di chuyển bằng 4 bánh xe cân bằng, ổn định vì thông th ng bùn cặn sẽ lắng đáy cống, còn bánh xe – cả 4 bánh xe - di chuyển trên mặt cong c a thành cống do đó robot tránh tiếp xúc đ ợc phần bùn cặn lắng sát đáy cống (robot không phải v ợt qua phần bùn này), mặt khác cả 4 bánh xe đều bám trên thành cống hay nói cách khác 4 bánh xe c a robot di chuyển trên mặt phẳng song song với mặt đáy cống do đó robot có khả năng tự định vị và không bị lật khi di chuyển Robot di chuyển bằng hệ thống truyền động từ động cơ, truyền qua cơ cấu bánh răng nón dẫn động tới 2 bánh xe ch động Một động cơ điều khiển hai bánh xe cùng phía Khi bánh ch động quay sẽ truyền chuyển động cho bánh còn lại quay thông qua bộ truyền xích Ngoài ra còn có một động cơ điểu khiển nâng hạ cụm camera, một động cơ điều khiển camera quay ngang (pal) và một động cơ điều khiển camera quay dọc (tilt)

2.3.3 Phương án đề xuất cho robot giám sát đường ống nước thải:

Đầu tiên phải nói đến u điểm c a robot là có thể thay thế s c lao động c a con ng i trong các điều kiện con ng i không thể làm việc hoặc ảnh h ng đến

s c khỏe do không gian nhỏ hẹp và môi tr ng độc hại Bên cạnh đó, hệ thống thoát n ớc c a Việt Nam, đ ng ống thoát n ớc có đ ng kính từ 300 † hơn 800

mm th ng đan xen nhau (hình 2.5) Nếu chỉ thiết kế robot có kích th ớc làm việc phù hợp một kích cỡ đ ng ống thì khi giám sát thực tế một khu vực nhỏ điển hình, ta phải cần nhiều robot cho từng loại kích cỡ đ ng ống, nh vậy hiệu quả kinh tế không cao Đây là lý do ng i nghiên c u lựa chọn kích th ớc c a robot

nhỏ gọn và có thể làm việc trong đ ng ống vừa và nhỏ (350 ÷ 500 mm)

Hình 2.5: Hình ảnh các ống cống có đường kính khác nhau

Th hai, việc các ống cống xuống cấp cũng là lý do cản tr thoát n ớc khiến tình trạng ngập lụt diễn ra Vì thế nếu không xác định đ ợc đoạn đ ng ống nào h

hại thì công việc tiến hành sửa chữa sẽ rất tốn kém th i gian và tiền bạc Do vậy robot cần có thể truyền hình ảnh trực tiếp trong lòng cống để ta có thể giám sát

đ ng cống trong suốt quá trình robot di chuyển Và vì đ ng kính đ ng ống n ớc

thải ng i nghiên c u nghiên c u có kích th ớc dao động từ 350 ÷ 500 mm, nên

ng i nghiên c u thiết kế bộ phận giám sát có cơ cấu nâng hạ camera để có thể điều

chỉnh kích th ớc phù hợp với từng kích cỡ theo yêu cầu và camera đ ợc lắp trên cơ

cấu quay để ta có thể quan sát rõ từng vị trí bên trong đ ng ống

Th ba, với việc phải cung cấp năng l ợng cho động cơ robot và bộ phận camera một cách liên tục Phần lớn các đ ng ống n ớc thải có kích th ớc ng i không thể chui lọt Để xử lý các đ ng ống nh vậy, ng i ta sử dụng nền tảng con robot đ ợc điều khiển từ xa Robot đ ợc kết nối với bên ngoài b i một dây cáp để cung cấp năng l ợng, truyền các lệnh từ ng i điều khiển đến thiết bị, đồng th i truyền dữ liệu tr lại ng i điều khiển Bên cạnh đó, dây cáp còn có vai trò nh một sợi dây sống còn trong tr ng hợp robot bị mắc kẹt trong đ ng ống và là dây đo khoảng cách robot đi đ ợc Một ph ơng án khác thay thế cho hệ thống điều khiển bằng dây cáp là một robot tự động có thể điều khiển từ xa không dây Tuy nhiên,

việc thực hiện liên kết thông tin liên lạc và cung cấp điện tr nên khó khăn hơn, đó

là một bất lợi lớn so với tính di động đạt đ ợc Hệ thống thoát n ớc là một môi

tr ng độc hại đối với các robot làm việc vì thông th ng cống là một nơi hẹp, trơn, bẩn và ẩm ớt Trong lòng cống có thể gặp tất cả các m c độ ngập n ớc trong một đ ng ống thoát n ớc, từ khô đến hoàn toàn bị ngập lụt và có thể bao gồm các

ch ớng ngại vật nh trầm tích và bị h hại nh các vết n t, lỗ, nút giao trong xây dựng hoặc rễ cây phát triển đâm xuyên thành đ ng ống Để đi theo chính xác tuyến đ ng đư vạch, để cung cấp thông tin hữu ích và kịp th i cho ng i điều khiển, định vị chính xác là không thể thiếu Do đó, việc sử dụng dây cáp để truyền năng l ợng , tín hiệu là ph ơng án tối u nhất

Cuối cùng, hệ thống thoát n ớc Việt Nam th ng đ ợc thiết kế để thoát chung cho cả n ớc m a và n ớc thải, hệ thống thoát n ớc th ng đ ợc xây dựng

với đ ng kính, độ dốc nhỏ và tốc độ dòng chảy thấp, đư gây ra sự lắng đọng và tắc

cống trong cả mạng l ới L ợng bùn cặn lắng đọng trong lòng cống, hố ga là rất nhiều, mặt khác do chất l ợng các mối nối cống không đảm bảo nên rễ cây th ng xâm lấn vào lòng cống, hố ga Với những đặc điểm trên, ng i nghiên c u đề ra hai

ph ơng án di chuyển cho robot là di chuyển bằng xích đặc biệt (hình 2.6a) và di chuyển bằng bánh xe cao su (hình 2.6b)

Hình 2.6: H ệ thống truyền động của robot

(a) – di chuyển bằng xích, (b) – di chuyển bằng bánh xe

Sau khi so sánh những u – nh ợc điểm c a hai kiểu truyền động theo bảng 2,

ng i nghiên c u nhận thấy nh ợc điểm c a robot di chuyển bằng xích đặc biệt là khó khắc phục do đặc điểm c a hệ thống cống n ớc ta có quá nhiều đá nhỏ và than vụn Do ng i nghiên c u quyết định thiết kế robot di chuyển bằng bánh xe Robot có bốn bánh xe đ ợc điều khiển b i hai động cơ làm cho robot có thể di chuyển dễ dàng, không bị lật khi gặp ch ớng ngại vật

Bánh xe cao su - Di chuyển nhanh

- Có thể di chuyển qua lại

Mô hình robot đ ợc tiến hành theo một h ớng trình tự, đó là sự kết hợp c a

từng bộ phận khác nhau, tổng cộng robot gồm các bộ phận ch yếu: bộ phận di chuyển, bộ phận ch c năng và bộ phận camera giám sát Để bảo đảm robot có thể hoạt động đ ợc trong không gian nhỏ hẹp, các bộ phận cần đ ợc lắp ráp hợp lý

nhất, sao cho kích th ớc đ ợc nhỏ nhất nh ng vẫn bảo đảm hiệu quả làm việc Robot gồm có 3 bộ phận chính :

+ Bộ phận thân và khung,

+ Bộ phận di chuyển,

+ Bộ phận giám sát (camera) & hộp điện

Bên cạnh đó còn có 1 số bộ phận khác có nhiệm vụ hỗ trợ hoặc kết nối robot

với ng i điều khiển nh : hộp điều khiển, đầu cáp kết nối hộp điều khiển, ròng rọc nâng (hạ) robot, thả dây cáp, …

Qua những đặc điểm vừa phân tích, ta tiến hành mô phỏng robot giám sát

đ ng ống n ớc thải gồm các bộ phận nh di chuyển và giám sát

Hình 2.7: Mô hình l ắp ghép 3D của robot

Hình 2.7 là mô hình lắp ghép hoàn chỉnh 3D các bộ phận c a robot khi làm

việc d ới đ ng ống n ớc thải

Tr ớc khi đi sâu vào từng bộ phận cụ thể, ta hãy xem qua mô hình 3D robot

đ ợc dựng các góc chiếu khác nhau (hình 2.8)

Hình 2.8: Mô ph ỏng robot giám sát ở các góc nhìn khác nhau

2.4 B ph n thơn ậ khung :

Hình 2.9 : Mô hình 3D phần thân của robot

Phần thân và khung c a robot (hình 2.9) có kích th ớc không gian 470mm x 136mm x 95mm, gồm nhiều tấm kim loại riêng biệt đ ợc gắn kết với nhau bằng vít

và các rưnh định vị bao gồm :

+ Hai (2) tấm kim loại đầu và cuối c a phần thân robot có kích th ớc là (136mm x 95mm x 5mm),

+ Hai (2) tấm thân lớn ghép với đế để gắn các trục chuyển động và bánh xe (460mm x 95mm x 8mm),

+ Một (1) tấm đế ghép với tấm 2 thân lớn theo rưnh định vị để bệ đỡ các bộ phận trên robot (460mm x 122mm x 8mm),

+ Các tấm kim loại còn lại dùng để kết nối, tạo sự c ng vững hoặc để bảo vệ hộp số c a robot với các chất bẩn trong cống

Vì môi tr ng làm việc độc hại, dễ bị ăn mòn nên ta chọn vật liệu đ ợc làm bằng thép chất l ợng cao C30 và đ ợc bao ph b i lớp sơn tĩnh điện

Robot 4 bánh xe di chuyển cân bằng, ổn định vì thông th ng bùn cặn sẽ lắng đáy cống, còn bánh xe – cả 4 bánh xe - di chuyển trên mặt cong c a thành cống

do đó robot tránh tiếp xúc đ ợc phần bùn cặn lắng sát đáy cống (robot không phải

v ợt qua phần bùn này), mặt khác cả 4 bánh xe đều bám trên thành cống hay nói cách khác 4 bánh xe c a robot di chuyển trên mặt phẳng song song với mặt đáy cống do đó robot có khả năng tự định vị và không bị lật khi di chuyển Vì vậy robot

4 bánh xe di chuyển là ph ơng án ng i nghiên c u chọn

Robot di chuyển bằng hệ thống truyền động từ động cơ, truyền qua cơ cấu bánh răng nón dẫn động tới 2 bánh xe ch động (hình 2.10) Một động cơ điều

khiển hai bánh xe cùng phía Khi bánh ch động quay sẽ truyền chuyển động cho bánh còn lại quay thông qua bộ truyền xích

Hình 2.10 : Lắp các trục chuyển động, bánh xe vào robot

Mặt khác, bề mặt di chuyển trong ống là mặt cong (do tiết diện ống hình tròn),

có n ớc và bùn nên khi di chuyển robot sẽ có hiện t ợng tr ợt nếu ta sử dụng bánh

xe không có gai hay không phù hợp với địa hình thực tế Vì vậy ng i nghiên c u nghiên c u tính toán để lựa chọn bánh xe có gai (hình 2.11) có hệ số ma sát phù hợp

để xe di chuyển tốt (hạn chế hiện t ợng tr ợt) trong môi tr ng có n ớc và bùn

- Gai AT (All-Terrain Tires) phù hợp cho mọi điều kiện đ ng sá, đ ng nhựa, đ ng cát, đ ng sình lầy hay tuyết và đ ng trải đá sỏi Lốp AT c ng hơn

HT và có gai to hơn, ít rưnh dọc nên ồn hơn lốp HT và khả năng bám đ ng khi tr i

m a có phần kém hơn

- Gai HT (Hard-Terrain Tires) chuyên đi đ ng nhựa, gai mịn, nhiều rưnh dọc giúp cho xe bám đ ng tốt kể cả khi đ ng ớt và nhất là không ồn

- Gai MT (Mud Terrain) chuyên đi sình lầy, có gai to, đôi khi có cả gai hai bên thành lốp Tuy nhiên, lốp gai MT lại không phù hợp nếu bạn muốn đi xe vào nội thành với khả năng bám đ ng nhựa khá thấp

(a) (b) (c)

Hình 2.11 : Hình vẽ các loại gai của bánh xe

a Gai AT (All – Terrain Tires), b Gai HT (Hard – Terrain Tires),

c Gai MT (Mud-Terrain Tires)

Dựa vào các đặc điểm c a các loại gai trên và yêu cầu thực tế (robot di chuyển trong môi tr ng có n ớc và bùn), việc chọn loại bánh xe có gai MT (Mud Terrain) chuyên đi sình lầy, có gai to, diện tích tiếp xúc với mặt đ ng lớn hơn, tăng độ bám đ ng trên mặt đ ng là hoàn toàn phù hợp với yêu cầu

Với những lựa chọn trên, hệ thống này giúp cho robot chuyển động trong ống cống đ ợc ổn định, cân bằng và v ợt qua các vật cản, rác bùn, đất đá bên trong ống cống Các chi tiết c a hệ thống truyền động này phải đ ợc chế tạo đặc biệt để đảm bảo độ bền và chịu đ ợc ăn mòn hóa chất c a n ớc thải trong đ ng ống

Sau khi phân tích và lựa chọn ph ơng án thiết kế, chọn biện pháp công nghệ,

ta tiến hành thiết kế từng chi tiết cần gia công và mô phỏng lắp ráp robot giám sát

đ ng ống n ớc thải Bản vẽ chi tiết và lắp ráp đ ợc thể hiện trong tập bản vẽ Để đảm bảo cho robot di chuyển đ ợc trong môi tr ng cống – môi tr ng có n ớc và bùn, việc tính toán lực cản c a môi tr ng cống để chọn công suất động cơ là quan trọng Vì vậy việc đầu tiên phải làm trong quá trình thiết kế máy là phải tính toán chọn công suất động cơ

2.5.1 Tính toán chọn công suất động cơ cho bộ phận di chuyển robot :

Nhiệm vụ chính c a robot giám sát đ ng ồng n ớc thải là giám sát vì vậy robot đ ợc yêu cầu di chuyển chậm với tốc độ 5 km/gi , vì robot di chuyển trong môi tr ng ph c tạp gồm hổn hợp n ớc và bùn nên cần tính lực cản c a môi tr ng

mà robot làm việc, ngoài ra ta cần tính toán khối l ợng c a robot để làm sao thắng nổi lực phản xạ khi robot di chuyển trong môi tr ng có n ớc Khi tính toán chọn công suất động cơ, ta có các thông số ban đầu nh sau:

+ Vận tốc: v= 1.4 (m/s)

+ Khối l ợng robot: m = 35 (kg)

+ Diện tích mặt tiếp xúc: do phạm vi giới hạn đề tài đư nêu robot chỉ di chuyển trong môi tr ng cống ngập ½ đ ng ống nên ta chỉ tính trong tr ng hợp robot làm việc trong môi tr ng cống ngập ½ đ ng ống A s  0,144 0,126( )  m

+ Khối l ợng riêng c a hổn hợp n ớc và bùn đo bằng thực nghiệm

Các b ớc tính toán chọn động cơ:

- Chọn động cơ điện:

+ Chọn kiểu, loại động cơ;

+ Chọn công suất động cơ;

+ Chọn tốc độ đồng bộ động cơ;

+ Chọn động cơ thực tế;

+ Kiểm tra điều kiện m máy, điều kiện quá tải cho động cơ

Nội dung cụ thể c a các b ớc nh sau:

+ Chọn kiểu, loại động cơ: chọn động cơ điện xoay chiều vì nó có các u điểm sau : kh i động êm, dễ dàng điều khiển tốc độ (tần số) bằng biến tần và có thể truyền đi xa mà không bị sụt áp

+ Chọn công suất động cơ [8]:

Với động cơ chọn để dẫn động cho robot ta chọn là loại động cơ làm việc dài hạn với phụ tải khơng đổi Trong tr ng hợp này ta khơng cần kiểm tra điều kiện quá tải mà chỉ cần kiểm tra điều kiện M mở máy M cảnbanđầu (2.1)

Cơng suất c a động cơ đ ợc chọn theo điều kiện nhiệt độ nhằm đảm bảo cho nhiệt độ c a động cơ khi làm việc khơng lớn hơn trị số cho phép Để đảm bảo điều kiện đĩ cần thoả mưn yêu cầu sau:

P - cơng suất định m c c a động cơ ;

P đt đc - cơng suất đẳng trị trên trục động cơ, đ ợc xác định trong tr ng hợp tải khơng đổi nh sau:

P - cơng suất làm việc danh nghĩa trên trục động cơ:

 



 ct

đc lv lv

Với các sơ đồ gồm các bộ truyền mắc song song (các sơ đồ tách đôi),

hiệu suất c a cụm các bộ truyền xác định theo:

Robot làm việc trong môi tr ng có n ớc và có bùn nên khi tính toán để chọn công suất động cơ, ta phải quan tâm đến lực cản c a n ớc, s c cản ma sát, hệ số ma sát c a bùn, …

Trong đó:  - khối l ợng riêng c a hổn hợp n ớc và bùn Khối l ợng riêng

c a hổn hợp trên đ ợc đo bằng thực nghiệm

0,5

1 2

F F

s c cản d bao gồm s c cản sóng và s c cản xoáy cuộn Cũng nh bỏ qua s c cản không khí

Với : ηbr=0.97: hiệu suất truyền động bánh răng;

ηol=0.99: hiệu suất một ổ lăn;

ηk=1: hiệu suất khớp nối

Công suất trên trục động cơ [8]:

 580

lv ct

P



Với thông số tính toán trên, động cơ đ ợc chọn : hai động cơ, mỗi cái có

công suất : 300 (W) và số vòng quay đồng bộ : 137 (v/p)

2.5 2 Thiết kế bộ truyền động bánh răng:

Yêu cầu thiết kế robot di chuyển với vận tốc 5 – 10 km/gi nên ta sử dụng bộ truyền bánh răng côn răng thẳng để truyền động cho hai trục giao nhau

Bộ truyền bánh răng côn răng thẳng đ ợc sử dụng khi vận tốc không cao

v   2 3 /m s, có tỉ số truyền u nhỏ, tuy nhiên lắp ráp đơn giản

Chi tiết quá trình tính toán đ ợc tính cụ thể ch ơng 3

332( )459,5( )235( )235( )

t n r a

t ợng tr ợt, hiệu suất cao hơn và có thể làm việc khi có quá tải đột ngột, … phù hợp với yêu cầu làm việc c a robot khi di chuyển trong môi tr ng ph c tạp

Chi tiết quá trình tính toán đ ợc tính cụ thể ch ơng 3

Chọn vật liệu chế tạo trục là thép C45 có giới hạn bền là 600Mpa, ng xuất xoắn cho phép []x = 20 ÷ 35 N/mm2

1 Xác định lực tác dụng lên trục từ các chi tiết máy lắp trên nó

- Lực tác dụng lên trục c a bộ truyền bánh răng:

 

1 1 1

2 332

2.6 B ph n giám sát:

Nhiệm vụ đặt ra cho robot là di chuyển và giám sát trong lòng cống có n ớc

và bùn, mực n ớc không quá ½ bánh xe, quan sát đ ợc nhiều góc độ trong lòng cống và truyền hình ảnh rõ nét về ng i điều khiển Vì vậy việc lựa chọn các thông

số cho camera để đảm bảo đạt đ ợc nhiệm vụ đề ra là quan trọng

- Đầu tiên ta chọn Camera CCD (Charge Couple Device) (100% số) vì Camera CCD sử dụng kĩ thuật CCD để nhận biết hình ảnh CCD là tập hợp những ô tích điện có thể cảm nhận ánh sáng sau đó chuyển tín hiệu ánh sáng sang tín hiệu số

để đ a vào các bộ xử lý Các Camera số sử dụng công nghệ CCD có u điểm rất rõ rệt so với Camera analog về độ rõ nét và chất l ợng hình ảnh

- Camera có dây có u điểm đó là khả năng an toàn cao, tính bảo mật tốt đ ợc

sử dụng, truyền tín hiệu trên dây cáp đồng trục khoảng 75ohm -1Vpp, dây C5 Đây

là giải pháp đ ợc đánh giá là an toàn Chú ý rằng khi truyền với khoảng cách xa 300m thì cần có bộ khuếch đại để tránh việc tín hiệu đ ng truyền suy hao, dẫn đến chất l ợng hình ảnh không tốt

- Tiếp theo ta chọn Camera PTZ (Pan:quét ngang; Tilt:quét dọc; Z:Zoom) Camera hỗ trợ khả năng quét dọc, quét ngang, phóng to thu nhỏ Camera này còn cho phép bạn kết nối vóí hệ thống sensor và cảnh báo để phát hiện đối t ợng di chuyển trong vùng hoạt động c a nó Hơn nữa Camera có thể đ ợc lập trình để hoạt động, nên nó có thể làm tất cả các công việc cho bạn

- Vì robot giám sát lòng cống nên ta chọn IR Camera - Camera hồng ngoại Tia hồng ngoa ̣i - Infrared rays Với Camera hồng ngoại, bạn có thể ghi hình vào ban đêm, điều mà các Camera thông th ng không thực hiện đ ợc vì nó có độ nhạy sáng là 0.1lux Tuy nhiên khi hoạt động chế độ hồng ngoại, các đèn LED sẽ tự động bật lên, và đòi hỏi công suất khá lớn, đó là lí do tại sao nguồn cấp cho các Camera hồng ngoại th ng là lớn hơn nhiều với các Camera thông th ng

- Cuối cùng, ta quan tâm đến chất l ợng hình ảnh – phụ thuộc vào cảm biến hình (Image sensor), độ phân giải (Resolution), số điểm ảnh (CCD total pixels) và góc quan sát th ng đ ợc quy đổi theo bảng 3

2.6.1 Thiết kế hộp bảo vệ camera chống thấm:

Do robot làm việc trong môi tr ng có n ớc, vì vậy ta cần phải có cách chống thấm tốt cho camera Ngoài việc thiết kế hộp bảo vệ, ta còn phải sử dụng silicon để

bộ phận camera hoàn toàn không thấm n ớc (hình 2.13)

Hình 2.13 : Hộp bảo vệ Camera