Thiết kế và chế tạo mô hình robot đường ống

Nội dung chính của bài báo là giới thiệu một loại robot dường ống có nhiều ứng dụng khác nhau . Robot này bao gồm một phần di chuyển theo dọc chiều dài ống có nhiệm vụ dẫn hướng, phần còn lại gi

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT ĐƯỜNG ỐNG

KS.Võ Anh Huy PGS.TS.Đặng Văn Nghìn vahuy@dme.hcmut.edu.vn; nghindv@yahoo.com

Bộ môn Cơ Điện Tử - Khoa Cơ Khí, Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh

TÓM TẮT

Nội dung chính của bài báo là giới thiệu một loại

robot dường ống có nhiều ứng dụng khác nhau

Robot này bao gồm một phần di chuyển theo dọc

chiều dài ống có nhiệm vụ dẫn hướng, phần còn lại

giữ vai trò chính là tạo ra lực bám trên thành ống

bằng chuyển động của các bánh xe Một động cơ DC

được đặt giữa những bộ phận liên kết dùng để tạo ra

sự chuyển động của robot Tất cả các bánh xe của nó

bám sát vào mặt trong của ống và có thể thay đổi tùy

theo đường kính của ống như 180 đến 240 mm Robot

có thể được điều khiển từ xa không dây thông qua

sóng radio, trong bài báo này dùng cách điều khiển có

dây

ABSTRACT

The paper presents an original robot architecture for

in-pipe with multi functional The robot consists of a

universal joint guided along the pipe by a set of

wheels moving parallel to the axis of the pipe, while

the other part is friction forced about the axis of the

pipe A single DC motor is placed between the two

bodies to produce the motion All the wheels are

mounted on a suspension to accommodate for

changing tube diameter and cuvers in the pipe The

robot is autonomous and carries its own batteries and

radio link Four different prototypes have been

constructed for pipe diameter of 180 to 240 mm,

respectively, the radio receiver may be placed on an

additional body attached to the others

1 GIỚI THIỆU

Việc khảo sát và dò tìm các khuyết tật của đường ống

kim loại chịu áp lực như ống gas, khí đốt, dầu khí

.v.v… là một nhu cầu rất cần thiết

Tuy nhiên khi thiết kế robot đường ống này, chúng ta

thường gặp phải những khó khăn sau đây

- Cơ cấu tạo chuyển động bên trong ống

- Sự thay đổi đường kính ống

- Hướng của ống thay đổi

- Việc cung cấp năng lượng cho robot trong quá trình

di chuyển

2 CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG ROBOT ĐƯỜNG

ỐNG

Cấu trúc của robot đường ống bao gồm năm cụm liên kết với nhau và được miêu tả trên Hình 1, hai cụm truyền động, một cụm nằm phía trước và một cụm nằm phía sau Robot có hai cụm dẫn hướng trước và sau, cụm dẫn hướng giữa có nhiệm vụ liên kết và tham gia dẫn hướng cho robot khi robot đi qua đọan ống có hướng thay đổi Robot được điều khiển bằng máy tính nhờ sự kết hợp của hai camera bố trí trên hai cụm dẫn hướng đầu của robot để đưa dữ liệu hình ảnh

mà nó nhận được về máy tính

Robot được thiết kế đủ lực kéo để leo qua các đường ống thẳng đứng đồng thời kéo theo cáp dẫn Lực này được cung cấp bởi hai bộ cụm truyền động nằm phía trước và phía sau robot Mỗi cụm có các cơ cấu bánh

xe linh hoạt áp lên thành ống, ma sát giữa bánh xe và mặt trong ống tạo ra lực kéo để robot di chuyển Trong quá trình di chuyển về phía trước cụm truyền động phía trước tạo lực kéo, cụm sau tạo lực đẩy và ngược lại

Hình 1 : Cấu trúc của robot đường ống robot đường ống

Bộ phận dẫn động và bộ phận dẫn hướng được nối lại với nhau qua cơ cấu bẻ lái như Hình 2 Cả hai đều

có ba cơ cấu chân bánh xe xếp cách đều 120 độ tròn chung quanh thân chính Ba chân bánh xe thay đổi chiều dài đồng thời nhờ tác động từ lò xo bố trí như Hình 2 Lò xo tác động lên cơ cấu chân bánh xe phát sinh lực ép lên thành ống Trên robot thiết kế, lực kéo phát sinh từ các bánh xe và được truyền động bởi một động cơ DC đặt trên đoạn thân sau Momen động cơ được cơ cấu giảm tốc trục vít truyền qua dây đai ở chân xếp như hình 7 Đoạn thân trước không nguồn dẫn động, chỉ có một CCD camera dùng để quan sát

và được nối với cụm dẫn động qua cơ cấu bẻ lái

Hình 2 : cơ cấu bẻ lái nối bộ phận dẫn hướng và bộ

phận dẫn động

3 TÍNH TỐN KÍCH THƯỚC ROBOT ĐƯỜNG

ỐNG

Trước tiên, chúng ta cần tính tĩan điều kiện khi robot

đi qua một đọan ống cong (Hình 3) là trường hợp khĩ

nhất trong quá trình di chuyển của robot

Hình dạng điển hình của đường ống thường là các

ống bậc, ống thẳng đứng, co, nhánh rẽ, ống giảm

vàvan như được diễn tả trên hình 3 Robot đường ống

di chuyển qua được các dạng ống bậc, di chuyển lên

và xuống các ống nghiêng nhỏ hơn 300 Những dạng

đường ống cĩ những giới hạn về mặt kích thước hình

học nên robot đường ống cần được thiết kế thoả mãn

các giới hạn đĩ di chuyển qua được các đọan ống

cong Trong những giới hạn trên, thì độ cong của

đường ống là trở ngại lớn nhất bởi vì robot sẽ gặp khĩ

khăn khi kích thước của nĩ quá to hay quá dài Thực

tế các tiêu chuẩn về đường cong của ống phải cĩ bán

kính lớn hơn 2/3 lần đường kính của ống Do vậy mỗi

cụm của robot cần thoả mãn điều kiện trên để cĩ thể

di chuyển được

Chúng tơi sẽ minh hoạ một co vuơng (900) và tính

tốn kích thước cho mỗi cụm trên robot Một cụm của

robot đường ống cĩ thể được mơ phỏng đơn giản như

là một khối trụ như hình 3 Sau đĩ robot cĩ thể xem

như gồm nhiều cụm liên kết với nhau và ta cĩ thể rút

ra mối liên hệ giữa đường kính ống, độ cong, và kích

thước của mỗi module, vị trí khĩ nhất của một

module là nằm nghiêng 450 Trong trường hợp này,

ta cĩ thể xem xét 2 trường hợp:

a) Chiều rộng của cụm W nhỏ hơn chiều dài h và cà

hai đầu đều nằm ở phía ngịai đọan cong (hình 3a)

b) Cả hai đầu của module đều nằm ở phía trong đọan

cong (hình 3b)

Tùy theo trường hợp mà ta cĩ thể rút ra các phương trình ràng buộc quyết định kích thước của cụm và được tính tĩan như sau

Hình 3 : Cụm di chuyển qua khúc co Trong trường hợp a(hình 3a) chiều rộng W cĩ ràng buộc như sau:

0 < w < ((R+D/2)sin450 - (R - D/2)) (1) trong đĩ : D là đường kính của ống, R là bán kính cong của đọan ống

Chiều rộng W chỉ cĩ thể cĩ giá trị lớn nhất là đoạn

HB (trên hình 3 a),

HB = OB - OH = ((R+D/2)sin450 - (R - D/2)) (2)

Do vậy, chiều dài tối đa của 1 cụm đựơc cho bởi:

h = 2 (D/2 + R - (R - D/2 + w)cos450) (3) Chiều dài cụm h = 2Cx trên hình 6a ta cĩ: Cx'= OC - Ox'

= (D/2 + R) - (R - D/2 + w).cos450 (4) mà

Cx = Cx' Trong trường hợp 3b, cả hai đầu của cụm đều nằm trong đoạn ống cong Do vậy khỏang thay đổi của kích thước w co mối quan hệ như sau:

((R + D/2)sin450 - (R - D/2)) < w < D (5) Vậy chiều dài tối đa của cụm theo w:

h = 2 (6) Các phương trình (3) và (6) đưa ra các giới hạn về kích thước của robot đường ống tùy theo kích thước của đoạn ống

Robot đường ống do chúng tơi thiết kế phù hợp cho các đường ống cĩ kích thước đường kính thay đổi từ

180 mm đến 240 mm Do vậy đường ống được chọn làm mơ hình cĩ đường kính là 220mm được diễn tả như hình 7 Mạng đường ống bao gồm các ống thẳng nằm ngang và đứng, các co vuơng 900, co T để giả định các trường hợp cĩ trong thực tế

D=220mm bán kinh tại gĩc lượn được thiết kế cĩ R=D= 220mm

Xét trường hợp a) cĩ w lớn nhất

w = ((R+D/2)sin450 - (R - D/2)) = (220+110).sin450 - (220-110) = 123 mm

Nhận xét thấy kết cấu phù hợp nhất để cĩ thể chế tạo với các điều kiện kỹ thuật hiện cĩ thì w cĩ giá trị khoảng 180mm trở lên

Vậy với w trên thì ta cĩ h thuộc trường hợp

Bộ phận dẫn

động

Cơ cấu bẻ lái

Bộ phận dẫn hướng

b)hmax=2 = 315 mm

Với các giá trị giới hạn w và h ta định ra kích thước

bao cho từng cụm robot

Dưới đây là hình vẽ chi tiết của một số bộ phận chính

của mô hình robot như trên hình 4, hình 5 và hình 6

Hình 4: Kết cấu cụm dẫn động

1.Bánh xe; 2.Bánh đai; 3.Khung nhôm; 4.Thân cố

định; 5 Cữ chặn; 6.Thân trượt; 7.Lò xo; 8.Trục

vit-bánh vit; 9.Động cơ truyền động; 10 Bánh đai;

11.Dây đai

Cụm dẫn động họat động nhờ động cơ (9) và bánh

đai (10) làm quay trục vit (8) và nhờ vậy mà bộ

truyền đai răng (11) được dẫn động làm các bánh xe

chuyển động, chiều chuyển động của bánh xe có thể

chuyển động theo hai chiều thuận và nghịch tùy theo

chiều di chuyển của robot Bánh xe(1) bám lên bề mặt

thành ống nhờ lò xo (7) giữ khung nhôm hình bình

hành (3) luôn được đẩy ra, chính vì vậy mà các bánh

xe luôn luôn bị áp sát vào bề mặt của thành ống

Cụm dẫn hướng đầu (Hình 5) và giữa (Hình 6) có

nhiệm vụ quan trọng khi đưa robot đi qua đọan ống

cong

Hình 5: Kết cấu đoạn dẫn hướng(cụm đầu)

Hình 6: Cụm dẫn hướng trung gian(cụm giữa)

4 TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC CƠ CẤU BẺ LÁI Nguyên lý hoạt động của cơ cấu bẻ lái thể hiện trên Hình 7

Hình 7 : Cấu trúc 3D của cơ cấu bẻ lái Hình 7 là ảnh 3D và mặt cắt của cơ cấu bẻ lái có một khớp nối xiên bên trong dùng điều khiển chuyển động xoay hai bậc tự do Nó có hai động cơ DC và cơ cấu giảm tốc, tuần tự lái nửa cầu trên và nửa cầu dưới Hai nửa cầu tiếp xúc trên một mặt nghiêng một góc (

so với mặt ngang) Liên kết các-đăng bên trong truyền moment từ động cơ đến nửa cầu trên, liên kết bên ngoài là cơ cấu cứng chỉ dùng nối kết hai khâu,

và ngăn cản dịch chuyển tương đối giữa chúng Khớp nối xiên xoay quanh trục nghiêng Lần lượt cho nửa cầu trên và nửa cầu dưới xoay, ta thu được chuyển động tương đối của khớp như Hình 8a, Hình 8b là trường hợp nửa cầu trên xoay và Hình 8c diễn tả nửa cầu dưới xoay, đây là nguyên lý làmviệc cơ bản của

cơ cấu Chuyển động quay mong muốn được thực hiện bằng cách phối hợp góc xoay của hai nửa cầu

Hình 8 : Nguyên lý hoạt động cơ cấu bẻ lái Hình 9 mô tả sơ đồ động học đơn giản hóa, với Ji và

i là khớp thứ i và góc quay của nó, li là khoảng cách giữa hai khớp, Li là khâu thứ i Trong cơ cấu nêu

trên, khớp J1 và J3 là các khớp truyền chủ động

Khớp các-đăng trong và ngoài được biểu diễn trên sơ

đồ lần lượt bởi các cặp khớp J4,J5 và J6,J7 Khớp J2

nghiêng và hai khớp các-đăng thụ động quanh nó

ngăn cản chuyển động xoay tương đối giữa hai khâu

L1 và L2 quanh trục dọc

Hình 9 : Sơ đồ động học đơn giản hóa

Không gian hoạt động của cơ cấu được vẽ như Hình

11 với tâm hình cầu là tâm xoay của khớp, S là đầu

của khâu kế tiếp Sự hình thành không gian hoạt động

tổng có thể được giải thích như sau: đầu tiên, nếu cố

định 1 và thay đổi 2, ta thu được không gian hình

nón nhỏ, thay đổi 1, ta thu được không gian hình nón

lớn Vì vậy, không gian tổng chính là hình nón lớn

tạo thành bằng cách xoay cạnh ngoài hình nón nhỏ

Rõ ràng không gian hoạt động của cơ cấu nhỏ hơn so

với cơ cấu 2 bậc tự do bình thường (toàn khớp bản lề)

nhưng có khả năng tạo chuyển động 2 bậc tự do

không xoay quanh trục z giống như chuyển động con

người và lần lượt là kinh độ và vĩ độ của điểm S

Hình10: Không gian hoạt động cầu của cơ cấu bẻ lái

Trên robot đường ống, cơ cấu bẻ lái được mô tả chi

tiết tại Hình 11 dưới đây

Hình 11 : kết cấu của cơ cấu bẻ lái

Cơ cấu bẻ lái ở Hình 11 là một khớp nối có hai bậc

tự do, trong đó mỗi chuyển động tự do được thực hiện nhờ một cặp chuyển động của hai motor và hai bộ ly hợp điện từ

Cơ cấu bẻ lái như Hình 11 có một hệ thống bánh răng truyền động, khớp các-đăng nối trục trong và ngoài để liên kết các bộ phận của cơ cấu lại Nếu không có các khớp các-đăng này, hai bán cầu luôn quay tự do với nhau trên bạc đạn nằm nghiêng một góc so với mặt phẳng vuông góc của các trục bánh răng

7 KẾT LUẬN Robot đường ống do chúng tôi chế tạo có khả năng làm việc trên những đoạn dường ống cong 900 và cong dạng chữ T Nhờ có cơ cấu lò xo trong cụm dẫn động và cụm dẫn hướng nên các bánh xe luôn bám lên bề mặt đường ống khá đều làm cho robot di chuyển nhẹ và êm

8 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]Nguyễn Ngọc Cẩn Kỹ thuật điều khiển tự động NXB Đại Học Quốc Gia Tp.HCM, (2000)

[2]Nguyễn Hữu Lộc Cơ sở thiết kế máy NXB ĐHBK TP.HCM

[3]TS.Lê Hoài Quốc, Chung Tấn Lâm Nhập môn robot công nghiệp NXB Khoa học và Kĩ thuật, (2002)

[4]Ngô Diên Tập Lập trình ghép nối máy tính trong Windows NXB Khoa học và Kĩ thuật, (1997) [5]Trần Văn Uẩn Bài tập cơ học lý thuyết NXB ĐHBK TP.HCM

[6]Richard S.Wright JR, Michael Sweet OpenGL Superbible Waite Group Press

[7]Robert N.Bateson Introduction to Control System Technology Macmilian Publishing Company, New York, 1989

[8]www.msdn.microsoft.com/library