Thiết kế chế tạo robot kiểm tra cọc bê tông ly tâm sau khi ép

Hình 1.4 Những nghiên cứu Robot đường ống kích thước nhỏ Ngày nay với sự phát triển của khoa học các robot đường ống đã có thể đi vào bên trong cơ thể người.. Robot này được điều khiển

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

-

NGUYỄN HOÀNG TRUNG KIÊN

THIẾT KẾ CHẾ TẠO ROBOT KIỂM TRA CỌC BÊ TÔNG LY TÂM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

-

NGUYỄN HOÀNG TRUNG KIÊN

THIẾT KẾ CHẾ TẠO ROBOT KIỂM TRA CỌC BÊ TÔNG LY TÂM

SAU KHI ÉP LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Điện Tử

Mã số ngành: 60520114

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Bùi Thanh Luân

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 5 năm 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Bùi Thanh Luân

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 14 tháng 5 năm 2017

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

TT Họ và tên Chức danh Hội đồng

1 TS Nguyễn Thanh Phương Chủ tịch

2 TS Ngô Hà Quang Thịnh Phản biện 1

3 TS Nguyễn Hùng Phản biện 2

4 TS Ngô Mạnh Dũng Ủy viên

5 TS Võ Tường Quân Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

TS Nguyễn Thanh Phương

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP HCM

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

TP HCM, ngày 20 tháng 5 năm 2017

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Hoàng Trung Kiên Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 29/08/1990 Nơi sinh: Bến Tre

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử MSHV: 1441840005

I- Tên đề tài:

THIẾT KẾ CHẾ TẠO ROBOT KIỂM TRA CỌC BÊ TÔNG LY TÂM

SAU KHI ÉP

II- Nhiệm vụ và nội dung:

 Thiết kế robot chui vào cọc bê tông ly tâm sau khi ép

 Mô phỏng lực tác dụng khi làm việc lên robot

 Thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu gồm: camera, cảm biến đo độ nghiêng của cọc

 Thực nghiệm robot kiểm tra vết nứt, đo độ nghiêng cọc bê tông ly tâm sau khi đã ép ở công trình (250 Nguyễn Thái Sơn, Q.Gò Vấp, TP HCM)

III- Ngày giao nhiệm vụ:

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: V- Cán bộ hướng dẫn: TS Bùi Thanh Luân

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

TS Bùi Thanh Luân

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này

đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

(Ký và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Hoàng Trung Kiên

LỜI CÁM ƠN

Trong quá trình thực hiện luận văn tác giả gặp rất nhiều khó khăn nhưng nhờ có

sự tận tâm hết lòng giúp đỡ của Thầy TS Bùi Thanh Luân nên giúp tôi có thể hoàn thành luận văn Lời cảm ơn đầu tiên và chân thành nhất tôi xin được gửi đến Thầy

TS Bùi Thanh Luân

Xin cảm ơn toàn thể các Thầy, Cô của Trường Hutech đã truyền đạt kiến thức và tạo điều kiện tốt nhất để tôi có thể hoàn thành luận văn một cách tốt đẹp

TP.HCM, ngày 14 tháng 5 năm 2017

(Họ và tên của Tác giả Luận văn)

Nguyễn Hoàng Trung Kiên

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trong luận văn này đã nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot kiểm tra cọc bê tông ly tâm Các vấn đề thiết kế chế tạo robot gồm phần cơ khí và phần thu thập xử

lý tín hiệu trả về từ các cảm biến và camera

Phần cơ khí thì toàn robot được thiết kế 3D và mô phỏng các tác dụng lực lên tất cả các cơ cấu của robot, các mô phỏng lực, ứng suất và các biến dạng nhằm đánh giá khả năng chịu lực của robot trước khi tiến hành thiết kế mô hình

Phần xử lý tín hiệu tôi đã nghiên cứu tổng quát các mạch xử lý tín hiệu như mạch Arduino, mạch cảm biến gia tốc, con quay hồi chuyển Còn về phần lọc nhiễu tín hiệu từ cảm biến tôi còn nghiên cứu về thuật toán lọc nhiễu kalman, bộ lọc này

sẽ giúp giảm các sai số trả về từ cảm biến, phần camera đưa hình ảnh quan sát được gửi về máy tính

Luận văn gồm 6 phần: Chương 1 giới thiệu tổng quan, chương 2 thiết kế cơ khí, chương 3 mô phỏng lực tác dụng, chương 4 thiết kế hệ thống đo độ nghiêng, chương 5 mô hình và kết quả thực nghiệm

ABSTRACT

In this thesis has studied the design and manufacture robotic inspection centrifugal concrete piles These issues include robotics design mechanical parts and components collected signal processing returns from the sensors and camera Mechanical parts, all designed 3D robot simulation and its effects on all the structure of the robot, the power simulation, stress and deformation to evaluate the bearing capacity of the robot before proceeding design model

Signal processing section I studied general signal processing circuits such as Arduino circuit, circuit accelerometer sensor, gyroscope As for noise filtering signals from the sensor I studies of filtering algorithms Kalman noise filter will help reduce the errors returned from the sensor, The camera portion of the observation image is sent to the computer

The thesis consists of 6 parts: chapter 1 presents an overview, chapter 2 of mechanical design, chapter 3 simutates the force, chapter 4 designs tilt measurement, chapter 5 models and experimental results

1.1.2 Đặt vấn đề 1 1.1.3 Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa thực tiễn 1 1.1.4 Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu 1 1.1.5 Giới hạn đề tài 2

1.3 Các công trình nghiên cứu liên quan 5 1.3.1 Các công trình nghiên cứu trong nước 5

1.3 Nhận xét chung 32

2.1 Các yêu cầu thiết kế 36 2.2 Sơ đồ nguyên lý 36

3.4 Thanh đẩy cơ cấu bung 46 3.5 Thanh sườn đứng cơ cấu bung 48 3.6 Mặt bích dưới của robot 49 3.7 Mô phỏng lực tác dụng lên toàn khung robot 51

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO ĐỘ NGHIÊNG 57

4.1 Thiết kế kiểm tra độ nghiêng 57 4.1.1 Nguyên lý 57 4.1.2 Phần cứng 59 4.1.3 Phần mềm 62 4.2 Giao diện hiển thị 66 4.2.1 Giới thiệu phần mềm Processing 66 4.2.2 Lập trình giao diện 67 4.3 Bộ phận quan sát của robot 68

CHƯƠNG 5: MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 70

5.1.1 Cụm điều chỉnh theo đường kính cọc bê tông 70 5.1.2 Cụm camera 71 5.1.3 Phần thân robot 72 5.1.4 Nhận tín hiệu 73 5.2 Thực nghiệm và kết quả 73 5.2.1 Một số hình ảnh thực nghiệm công trình Hutech (khu công nghệ cao) 74 5.2.2 Một số hình ảnh thực nghiệm công trình (250 Cao Thái Sơn, GV) 77 5.1.2 Tiến hành thực nghiệm 79

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 87

6.1 Kết quả thực hiện 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Thông số hằng số vật liệu 41 Bảng 3.2 Thông số độ bền kéo 41 Bảng 3.3 Thông số độ bền nén 41 Bảng 3.4 Thông số ứng suất 42 Bảng 3.5 Kết quả mô phỏng tấm cố định 44 Bảng 3.6 Kết quả mô phỏng thanh bung bánh xe 46 Bảng 3.7 Kết quả mô phỏng thanh đẩy 47 Bảng 3.8 Kết quả mô phỏng thanh sườn đứng 49 Bảng 3.9 Kết quả mô phỏng mặt bích dưới 51 Bảng 3.10 Thông số lực tác dụng 51 Bảng 3.11 Thông số các chi tiết mô phỏng 52 Bảng 3.12 Kết quả mô phỏng khung robot 56

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

 Accel (Accelerometer) : Cảm biến gia tốc

 Gyro (Gyroscope) : Cảm biến con quay hồi chuyển

 Offset : Bù trừ giá trị nào đó để thông số chính xác so với thực tế

 Môđun (Module) : Một khối, bộ phận có chức năng xử lý 1 công việc nào đó

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Một số loại robot chuyên dụng 2

Hình 1.2 Robot kiểm tra đường ống 3

Hình 1.3 Robot vệ sinh đường ống Dewalop 4

Hình 1.4 Nhữang nghiên cứu Robot đường ống kích thước nhỏ 4

Hình 1.5 Robot thông đường ống 5

Hình 1.6 Mô hình thực nghiệm 6

Hình 1.7 Bảng điều khiển cho robot 6

Hình 1.8 Ảnh trả về từ camera 7

Hình 1.9 Mô hình 3D 8

Hình 1.10 Mô hình robot thực tế 8

Hình 1.11 Bánh xích của robot 8

Hình 1.12 Ảnh thu về từ camera ip 9

Hình 1.13 Cơ cấu robot đường ống 9

Hình 1.14 Cơ cấu bám thành ống 10

Hình 1.15 Sơ đồ các khối của Kursk Robot 11

Hình 1.16 Mô hình của robot 11

Hình 1.17 Mô hình robot đường ống 12

Hình 1.18 Cơ cấu của Robot 13

Hình 1.19 Các bộ phận một cơ cấu bung của robot 13

Hình 1.20 Cấu tạo bánh xích 14

Hình 1.21 Cơ cấu bung của Robot khi gặp vật cản 14

Hình 1.22 Sơ đồ phần cứng robot ống 15

Hình 1.23 Robot cho các đường ống khác nhau 16

Hình 1.24 Mô hình robot 17

Hình 1.25 Thiết kế cho ống 70mm 17

Hình 1.26 Mẫu 1 18

Hình 1.27 Mẫu 2 19

Hình 1.28 Robot Moritz 20

Hình 1.29 Mô hình khi di chuyển 20

Hình 1.30 Mô hình của robot 21

Hình 1.31 Kích thước của robot 22

Hình 1.32 Các bộ phận trên robot 22

Hình 1.33 Khả năng thích nghi với các đường ống của robot 23

Hình 1.34 Hoạt động trong đường ống đứng 23

Hình 1.35 Mô hình thực tế robot rắn 24

Hình 1.36 Thực nghiệm chui vào đường ống 24

Hình 1.37 Mô hình robot Explore 25

Hình 1.38 Phần đầu của robot 25

Hình 1.39 Mô hình Dewalop robot 26

Hình 1.40 Các bộ phận trên robot 26

Hình 1.41 Mô tả hoạt động cánh tay của robot 27

Hình 1.42 Mô hình robot Piko 28

Hình 1.43 Các bánh xe trên 1 phần của robot 28

Hình 1.44 Thí nghiệm với đường ống đứng 28

Hình 1.45 Mô hình Mininature mobile robot 29

Hình 1.46 Nghiên cứu phương pháp di chuyển 30

Hình 1.47 Mô hình robot đường ống Gas 31

Hình 1.48 Nghiên cứu phương pháp di chuyển 31

Hình 1.49 Cấu tạo của robot 32

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý robot 36

Hình 2.2 Khung robot 37

Hình 2.3 Cụm động cơ 38

Hình 2.4 Cụm cơ cấu bung bánh xe của robot 38

Hình 2.5 Cụm cảm biến, camera 39

Hình 2.6 Cơ cấu bung bánh xe của robot 39

Hình 2.7 Bánh xe của robot 40

Hình 3.1 Vị trí tấm cố định cơ cấu bung 43

Hình 3.2 Nhập các thông số cho chi tiết 43

Hình 3.3 Mô phỏng biến dạng tấm cố định cơ cấu bung 43

Hình 3.4 Mô phỏng ứng suất tấm cố định cơ cấu bung 44

Hình 3.5 Vị trí thanh bung bánh xe 44

Hình 3.6 Nhập các thông số của chi tiết vào Ansys 45

Hình 3.7 Chuyển vị của thanh bung bánh xe 45

Hình 3.8 Mô phỏng ứng suất của thanh bung bánh xe 45

Hình 3.9 Vị trí thanh đẩy cơ cấu bung 46

Hình 3.10 Nhập các thông số của chi tiết 46

Hình 3.11 Mô phỏng chuyển vị của thanh đẩy cơ cấu bung 47

Hình 3.12 Mô phỏng ứng suất thanh đẩy cơ cấu bung 47

Hình 3.13 Vị trí của thanh sườn đứng cơ cấu bung 48

Hình 3.14 Đặt thông số thanh sườn đứng 48

Hình 3.15 Mô phỏng chuyển vị trên thanh sườn đứng 48

Hình 3.16 Mô phỏng ứng suất sinh ra trên thanh sườn đứng 49

Hình 3.17 Vị trí mặt bích trên robot 49

Hình 3.18 Đặt các thông số cho mặt bích 50

Hình 3.19 Mô phỏng chuyển vị của mặt bích 50

Hình 3.20 Mô phỏng ứng suất khi lực tác dụng vào mặt bích 50

Hình 3.21 Đặt các thông số mô phỏng trên robot 51

Hình 3.22 Thông số lực tác dụng lên bánh xe robot 52

Hình 3.23 Mô phỏng chuyển vị của robot khi lực tác dụng 55

Hình 3.24 Mô phỏng ứng suất sinh ra khi tác dụng lực 55

Hình 4.1 Mô tả cảm biến gia tốc 3 trục (Accel) 57

Hình 4.2 Cảm biến la bàn điện tử 3 trục tọa độ 58

Hình 4.3 Con quay hồi chuyển (Gyro) 58

Hình 4.4 Mô đun GY-86 59

Hình 4.5 Cảm biến MPU-6050 59

Hình 4.6 Cảm biến la bàn số HCM5883L 60

Hình 4.7 Mô đun Arduino R3 61

Hình 4.8 Sơ đồ hệ thống kiểm tra độ nghiêng, camera 62

Hình 4.9 Sơ đồ khối hệ thống đo độ nghiêng 62

Hình 4.10 Giao diện Processing 66

Hình 4.11 Giao diện phần mềm nguồn mở Multiwii 67

Hình 4.12 Giao diện quan sát của robot kiểm tra cọc bê tông 68

Hình 4.13 Hình dạng camera gắn trên robot 68

Hình 4.14 Giao diện quan sát và điều khiển của camera 69

Hình 5.1 Mô hình robot kiểm tra cọc bê tông 70

Hình 5.2 Cụm motor điều chỉnh vít me 70

Hình 5.3 Cụm camera của robot 71

Hình 5.4 Hình ảnh vết nứt lấy được về từ camera 71

Hình 5.5 Ảnh khe nứt chụp từ camera 72

Hình 5.6 Các bộ phận trên thân robot 72

Hình 5.7 Máy tính nhận tín hiệu độ nghiêng từ robot 73

Hình 5.8 Tọa độ của robot để xác định góc nghiêng 73

Hình 5.9 Vết nứt trong cọc 141 74

Hình 5.10 Vết nứt bên trong cọc 122 74

Hình 5.11 Các vết nứt trong cọc 135 75

Hình 5.12 Đo vết nứt trong cọc 135 75

Hình 5.13 Vết nứt trong cọc 140 75

Hình 5.14 vết nứt trong cọc 252 76

Hình 5.15 Đáy của cọc 203 76

Hình 5.16 Rạn nứt thành trong cọc 76

Hình 5.17 Cọc bê tông ly tâm D500 77

Hình 5.18 Bên trong của cọc bê tông ly tâm 77

Hình 5.19 Thử tải tĩnh với lực ép 120 tấn lên cọc sau khi đóng 78

Hình 5.20 Bơm dầu cho xy lanh thủy lực thử tĩnh 78

Hình 5.21 Thực nghiệm cọc số 1 79

Hình 5.22 Hình ảnh quan sát từ camera 79

Hình 5.23 Độ nghiêng theo phương X 80

Hình 5.24 Độ nghiêng cọc 1 theo phương Y 81

Hình 5.26 Hình ảnh quan sát từ camera 82

Hình 5.27 Độ nghiêng theo phương X 82

Hình 5.28 Độ nghiêng theo phương Y 83

Hình 5.29 Cọc thực nghiệm số 3 84

Hình 5.30 Hình ảnh quan sát từ camera 84

Hình 5.31 Độ nghiêng theo trục X 85

Hình 5.32 Độ nghiêng theo phương Y 85

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Mở đầu

1.1.2 Đặt vấn đề

Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của ngành xây dựng nên các công trình xây dựng lớn không ngừng tăng lên về số lượng và cả chất lượng Để xây dựng những công trình như thế đồi hỏi phải có một nền móng vững chắc Hiện nay các nền móng của các công trình xây dựng lớn thường dùng cọc bê tông ly tâm ứng lực cường độ cao Các cọc này được robot ép xuống nền đất và các cọc được liên kết với nhau bằng các mối nối Một vấn đề đặt ra là ta cần kiểm tra chất lượng của từng

lổ ép sao cho cọc có độ nghiêng phù hợp, các mối nối liên kết tốt, thân cọc không bị rạn nứt

1.1.3 Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa thực tiễn

Xuất phát từ những vấn đề kiểm tra chất lượng của cọc ép bê tông ly tâm ứng lực cường độ cao Nên việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo một thiết bị robot để kiểm tra trở nên cần thiết

Việc nghiên cứu thiết kế chế tạo robot kiểm tra cọc bê tông ly tâm sau khi ép

sẽ đảm bảo từng lổ cọc được kiểm tra theo các tiêu chuẩn Điều đó có ý nghĩa rất quan trọng đối với chất lượng, độ an toàn khi xây dựng các công trình xây dựng lớn

1.1.4 Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu

 Mục tiêu

 Thiết kế robot chui vào cọc bê tông ly tâm sau khi ép

 Mô phỏng lực tác dụng khi làm việc lên robot

 Thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu gồm: camera, cảm biến đo độ nghiêng của cọc

 Thực nghiệm robot kiểm tra vết nứt, đo độ nghiêng cọc bê tông ly tâm sau khi đã ép

 Phương pháp nghiên cứu

 Sách, báo, Internet

 Xây dựng mô hình thực nghiệm

1.1.5 Giới hạn đề tài

 Đề tài chỉ dừng lại theo những yêu cầu thực tế ngoài công trình xây dựng:

 Thu thập hình ảnh khe nứt, gãy

 Quay phim khe nứt và mối nối giữa 2 đoạn cọc

 Đo góc nghiêng của cọc sau khi ép

 Trong quá trình đo độ nghiêng để cảm biến hoạt động và thu thập số liệu ổn định tác giả có dùng giải thuật lọc nhiễu cơ bản

1.2 Tổng quan

Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, lĩnh vực Robotics cũng có nhiều bước tiến vượt bậc Robot đã dần thay thế sức lao động con người Các ứng dụng từ robot là rất nhiều và chúng có thể làm việc trong các môi trường độc hại Một số ứng dụng như hàn, sơn, các nhà máy điện hạt nhân, các dây chuyền lắp ráp linh kiện điện tử, máy tính Và tuỳ theo các lĩnh vực ứng dụng mà sẽ có các loại robot với kết cấu chuyên biệt

Hình 1.1 Một số loại robot chuyên dụng

Ở Việt Nam cũng như trên thế giới đã có rất nhiều công trình sử dụng các đường ống để để thoát chất thải hay vận chuyển nguyên liệu như nước, gas Nhưng vấn đề đặt ra là các đường ống này qua thời gian sử dụng rất lâu Nguy cơ đường ống bị hư hỏng dẫn đến các hư hỏng và gây tai nạn là rất lớn Nhưng các đường ống này thường rất khó để kiểm tra Vì vậy đã có những robot chuyên dùng

để đi vào bên trong và tiến hành vệ sinh sửa chữa

Hình 1.2 Robot kiểm tra đường ống

Trong việc kiểm tra các đường ống có ảnh hưởng rất lớn đến an ninh và năng suất trong các khu công nghiệp Việc kiểm tra, bảo dưỡng, vệ sinh các đường ống này rất khó thậm chí không thể thao tác và rất đắc tiền Do đó việc áp dụng các robots là một giải pháp tốt nhất Các đường ống chủ yếu là dùng để vận chuyển các nguyên liệu như nước, dầu, khí đốt, nước thải…Và các nguyên liệu này là tác nhân trực tiếp gây hư hại các đường ống Rất nhiều rắc rối do mạng lưới đường ống bị hư hại, lão hoá, nứt và những hư hỏng cơ khí

Hình 1.3 Robot vệ sinh đường ống Dewalop

Ngoài các đường ống lớn thì còn có những đường ống có kích thước rất nhỏ chỉ vài milimet, thậm chí nhỏ hơn như các mạch máu trong cơ thể người

Hình 1.4 Những nghiên cứu Robot đường ống kích thước nhỏ

Ngày nay với sự phát triển của khoa học các robot đường ống đã có thể đi vào bên trong cơ thể người Các robot này sẽ tìm ra bệnh và tiến hành điều trị mà không cần phải phẩu thuật

1.3 Các công trình nghiên cứu liên quan

1.3.1 Các công trình nghiên cứu trong nước

a) Robot thông đường ống

Đây là nghiên cứu của tác giả TS Nguyễn Tấn Tiến [7] giới thiệu về một robot thông ống khối các loại tàu biển Robot này được điều khiển điện tử với thiết

kế nhỏ gọn, có thể đi vào những đường ống có kích thước tối thiểu về chiều cao là 24cm, chiều ngang 30cm Robot có thể chui vào đường ống, chạy tới chạy lui dùng chổi để làm sạch bụi bẩn, chất bám dính trong các đường ống của tàu Người điều khiển robot có thể dùng camera trên thiết bị điều khiển để biết được mức độ bụi trong các đường ống và “chỉ đạo” robot các điểm cần lưu ý làm sạch với quãng đường thông đến 15m

Hình 1.5 Robot thông đường ống

Trước đây, việc thông đường ống các loại tàu biển tại VN đều do công nhân phải thực hiện định kỳ với cách làm thủ công là tháo rời các bộ phận của đường ống

b) Robot thăm dò đường ống

Tác giả Nguyễn Khắc Nguyên [8] nghiên cứu và chế tạo robot kiểm tra hệ thống đường ống Robot được điều khiển từ xa, thu tín hiệu từ camera đưa về Robot di chuyển bằng bánh đai, đảm nhiệm được một số yêu cầu cần thiết Bài báo còn giới thiệu các phương pháp giao tiếp, điều khiển cho robot Cuối cùng là phần thực nghiệm để kiểm chứng lại cac yêu cầu đặt ra

Hình 1.6 Mô hình thực nghiệm

Robot được thiết kế chế tạo có tính năng thu thập dữ liệu, hình ảnh từ xa thông qua chuẩn TCP/IP của mạng wireless Hình ảnh từ camera thu lại có thể điều chỉnh được góc nhìn, phóng to và thu nhỏ Các điều khiển cho robot bằng chương trình trên máy tính

Hình 1.7 Bảng điều khiển cho robot

Hình 1.8 Ảnh trả về từ camera

Đề tài đã đưa ra được mô hình thực nghiệm mẫu robot thăm dò đường ống Robot có khả năng di chuyển linh hoạt, chống thắm và có hệ thống camera quan sát Mạch điều khiển nhúng trên robot bước đầu đã thành công với khả năng giao tiếp bằng chuẩn ethernet Với kết quả thực nghiệm robot đã di chuyển tốt trên một số địa hình gồ ghề dưới đường ống, chương trình điều khiển từ trạm đáp ứng tốt các yêu cầu đặt ra

Robot có cấu tạo đơn giản với một số ưu điểm như điều khiển không dây, có camera ip để quan sát thực địa Nhưng vẫn còn hạn chế trong di chuyển, hiện tại robot chỉ di chuyển trong các đường ống ngang Vì vậy việc áp dụng vào thực tế chỉ dừng lại ở kiểm tra khảo sát đường ống ngang

c) Robot kiểm tra vệ sinh đường ống

Tác giả Trần Phương Nam [9] đã nghiên cứu về robot kiểm tra và vệ sinh đường ống nước Đây là là một trong các ứng dụng cần thiết, có một số đường ống rất khó di chuyển thậm chí không thể vào được Trong bài nghiên cứu này mô tả robot kiểm tra và vệ sinh các đường ống Ngoài ra bài báo còn nghiên cứu và đề xuất các phương án thiết kế, phát triển robot đi vào sửa chữa Một phương pháp khắc phục sự cố đường ống cũng được đưa ra, phần giữa bài báo nói về cách thức giao tiếp, điều khiển robot Cuối cùng là kiểm tra và vệ sinh ống qua thực nghiệm

Hình 1.9 Mô hình 3D

Hình 1.10 Mô hình robot thực tế

Hình 1.11 Bánh xích của robot

Hình 1.12 Ảnh thu về từ camera ip

Robot trong bài báo này đã qua các quy trình kiểm tra và làm sạch đường ống thoát nước trong thực tế Robot có thể di chuyển 1 lần trong hành trình 100m đường ống Các tín hiệu camera thu về từ robot rất ổn định Kết quả thực nghiệm cho thấy

bộ điều khiển hoạt động tốt, cơ cấu bánh xích giúp robot linh hoạt, đảm bảo độ bám tốt và các dao để thông đường ống phát huy tác dụng

Hình 1.13 Cơ cấu robot đường ống

Hình 1.14 Cơ cấu bám thành ống

Mô hình robot đường ống bước đầu hoàn thiện về phần thiết kế, có khả năng làm việc trong các đường ống cong vuông góc Nhờ có cơ cấu dẫn hướng nên các bánh xe luôn bám tốt trên bề mặt đường ống, giúp robot di chuyển dễ dàng

1.2.2 Các công trình nghiên cứu thế giới

a) Robot đường ống Kursk

Nghiên cứu của tác giả G Carbone [1] giới thiệu về robot kiểm tra trong đường ống Phương pháp di chuyển dựa trên nguyên tắc rung động của bản thân robot Các thiết kế ban đầu dựa trên sự ma sát thân robot và thành ống được đề xuất thông qua các mô hình toán học Ngoài ra thì bài báo này còn phân tích các chuyển động của robot với các thông số khác nhau từ đó đề xuất những thiết kế cải tiến Robot có một thiết kế di chuyển dựa trên sự ma sát thành ống Toàn robot gồm

2 khối, trong đó có một khối đống vai trò cố định lại trên thành ống và khối còn lại

sẽ di chuyển

Hình 1.15 Sơ đồ các khối của Kursk Robot

(1) Khối đầu của robot, (2) Khối đuôi robot (3) Bộ phận truyền động, (4) Cơ chế chuyển động một chiều

(5) Lò xo

Hình 1.16 Mô hình của robot

Hoạt động của robot được nghiên cứu với những đường ống phải cứng Robot gồm 2 khối và được gắn lại với nhau bằng khớp đàn hồi và bộ phận truyền động điện Bộ phận truyền động sẽ tạo ra chuyển động hai chiều và nhờ cơ chế chuyển động một chiều nên giúp robot di chuyển về phía trước Với cơ chế di chuyển dựa trên sự ma sát như vậy đòi hỏi bề mặt ma sát phải tốt hay nói các khác robot chỉ di chuyển với điều kiện ma sát khô

Robot có thể di chuyển được trong đường ống với những ống có kích thước phù hợp và quan trọng nhất là bề mặt đường phải đảm bảo được độ ma sát tốt Nếu

ma sát không tốt robot sẽ bị trượt Robot còn nhiều điểm hạn chế như tốc độ di

chuyển chậm, phụ thuộc vào bề mặt tiếp xúc Nhưng đây cũng là một hướng nghiên cứu để giúp cho chúng ta có thêm phương án để thiết kế robot đường ống

b) Robot giám sát đường ống

Tác giả Majid M Moghadam [2] nghiên cứu về robot đường ống Một trong những điều quan trọng nhất trong việc sửa chữa bảo dưỡng đường ống là khả năng đánh giá và giám sát bên trong đường ống Để di chuyển bên trong đường ống robot

sử dụng 3 bánh xích bằng cao su đặt lệch nhau 120 độ Các bánh xích này được gắn vào 3 cơ cấu có thể bung ra để áp sát vào thành ống, với cơ cấu bung như vậy thì robot có thể đi được các ống có đường kính từ 250mm đến 350mm Tuy nhiên phạm vi này có thể mở rộng dễ dàng bằng cách tăng chiều dài các thanh trong cơ cấu bung của robot Robot có thể di chuyển trong các đường ống ngang, dọc, cong Robot có thể di chuyển và vượt qua một số chướng ngại vật nhỏ Robot được xây dựng các thuật toán điều khiển để giúp robot cân bằng và bám vào thành ống Ngoài

ra robot còn được trang bị camera để giám sát và ghi lại hành trình khi di chuyển Cuối cùng, một mẫu robot đã được xây dựng và thử nghiệm trong nhiều tình huống khác nhau

Hình 1.17 Mô hình robot đường ống

Thiết kế động học của robot được đưa ra trong điều kiện robot di chuyển trong ống, với các điều kiện khác nhau như ống cong, thẳng, ngang, dọc Robot gồm 3 cơ cấu bung giống nhau để ép vào thành ống Mỗi cơ cấu gồm 2 cặp thanh, có kích thước bằng nhau (4, 5) Các thanh này giúp bánh xích di chuyển ra vào và song

song với tâm (1) của robot Thanh (3,7) là lò xo bung để đẩy bánh xích theo hướng

từ tâm đi ra Như vậy với thiết kế này, robot có thể di chuyển và bám sát vào thành ống trong phạm vi cho phép

Hình 1.18 Cơ cấu của Robot

Hình 1.19 Các bộ phận một cơ cấu bung của robot

(1) Tấm di động, (2) Tấm cố định phía trước, (3) Lò xo (4), (5) Thanh tay trước robot, (8) Đai ốc, (9) Giảm tốc (7) Trục vít, (10) Động cơ, (11) Bộ phận chuyển động cho camera

(13) Puli Đây là các bộ phận trong một cơ cấu bung của robot Để bánh xích (6) di chuyển vào hay ra thì ta chỉ cần điều khiển động cơ (10), khi động cơ quay thì đai

ốc (8) sẽ di chuyển qua trái hoặc ngược lại Lò xo (3) sẽ di chuyển lên xuống và ép bánh xích (6) di chuyển song song với trục vít (7) Đó là nguyên tắc hoặc động của

cơ cấu bung

Hình 1.20 Cấu tạo bánh xích

(1) Vách 2 bên, (2) Puli đẩy xích, (3) Động cơ (4), (5) Giảm tốc, (6) Puli, (7) Con lăn đỡ đai xích Khi Robot di chuyển trong đường ống ngang, thẳng đứng và ống cong thì lực

ma sát cần thiết để robot bám lên được và không bị trượt sẽ rất khác nhau Do vậy ta chọn điều kiện robot di chuyển thẳng đứng để thiết kế, là đảm bảo được lực ma sát cho Robot không bị trượt Khi robot di chuyển thẳng đứng thì tổng lực kéo xuống của robot là lớn nhất

Ngoài các tính năng di chuyển của robot với đường ống thẳng đứng, ngang, cong thì robot còn có thể vượt qua các chướng ngại vật Nhờ lò xo trên cơ cấu bung

sẽ giúp robot có thể co lại khi gặp vật cản, vật cản này phải nằm trong giới hạn hành trình của lò xo Và cơ chế tránh vật cản này được mô phỏng ở hình

Hình 1.21 Cơ cấu bung của Robot khi gặp vật cản

Khi robot chưa qua khúc cong thì chiều dài tay đẩy lò xo là 115mm, sau khi đến khúc cong thì tay đẩy giảm lại còn 107mm nghĩa là khi qua ống cong sự thay đổi của tay đẩy lò xo là 8mm, trong khi robot được thiết kế khoảng dao động là 14mm Mặc khác nếu Robot di chuyển qua các đường ống cong gắt hơn Robot có chủ động điều chỉnh vít để tự thu hẹp đường kính và di qua dễ dàng

Phần cứng Robot sẽ gồm nhiều mạch tín hiệu liên kết với nhau Robot được trang bị camera để dễ dàng quan sát bên trong ống Ngoài ra để di chuyển thì Robot còn được trang bị động cơ và mạch điều khiển trung tâm Sau đây là sơ đồ các khối chức năng của phần cứng robot

Hình 1.22 Sơ đồ phần cứng robot ống

Đầu tiên thì robot sẽ được điều khiển bung ra theo đường kính ống Ở bài báo này chủ yếu điều khiển robot bung theo đường kính ống hay nói cách khác quyết định quay động cơ chỉnh vít phụ thuộc vào R

Đây là một trong những đề tài nghiên cứu về robot chui đường ống Bài báo này nghiên cứu khá chi tiết, đưa ra được mô hình khả thi, có khả năng thích nghi với các đường ống có kích thước khác nhau Thiết kế cơ khí đơn giản nhưng hiệu

quả Nhờ vào cơ cấu bung có lò xo nên giúp robot linh hoạt hơn và có khả năng vượt chướng ngại vật hay đi qua các đường ống cong dễ dàng

Robot được trang bị camera và bộ phận di chuyển camera, điều này giúp ta có thể quan sát ở các góc khác nhau Phương pháp điều khiển động cơ dựa trên các công thức toán học kết hợp với lập trình điều khiển PID giúp cho robot có thể luôn bám tốt trên thành ống Nhưng giới hạn ở phần điều khiển là còn dùng dây sẽ kém linh hoạt và khoảng cách thu phát tín hiệu qua RS 485 chỉ trong 100m

c) Robot đường ống Preumont

Bài báo của tác giả Preumont, André [3] nghiên cứu về robot kiểm tra đường ống Cấu tạo robot gồm 2 phần liên kết nhau bằng khớp, phần đầu dùng để định hướng và kéo phần còn lại của robot Nguyên tắc để robot di chuyển là quay phần đầu, trên phần đầu có các bánh xe nghiêng Khi quay tròn theo 2 hướng các bánh xe

sẽ có hướng di chuyển lên trên hoặc ngược lại và kéo robot di chuyển theo Và để di chuyển thì robot chỉ cần một động cơ duy nhất Các bánh treo được đặt phù hợp với đường kính ống, điểm đặc biệt là robot có thể truyền nhận tín hiệu vô tuyến, thân robot được tích hợp pin Bài báo này nghiên cứu 4 mẫu robot riêng biệt cho 4 đường kính là 170, 70 và 40mm Thiết kế robot đơn giản và có thể hoạt động trong

2 giờ Ứng dụng dùng để kiểm tra hay vệ sinh đường ống

Hình 1.23 Robot cho các đường ống khác nhau

(a) D-170, (b) D-70/1, (c) D-70/2, (d) D-35

Hình 1.24 Mô hình robot

(a) Loại 2 body cho đường ống lớn (D-170) (b) Loại 3 body cho đường ống nhỏ (D-40) Robot gồm 2 phần chính, một là rotor và stator, được liên kết với nhau bằng khớp nối Phần stator được gắn các cặp bánh xe, sao cho các bánh xe chuyển động song song với trục ống Phần rotor cũng được lắp các cặp bánh xe nhưng nghiêng một góc so với trục ống Như vậy các bánh xe phần stator có xu hướng cản chuyển động quay tròn còn phần rotor chuyển động theo hướng xoắn ốc Kết hợp 2 chuyển động của rotor và stator sẽ giúp robot chuyển động dọc trục Đối với các đường ống lớn hơn 170mm thì robot sẽ được gắn cứng 3 cặp bánh xe trên stator và rotor lên thành ống để đảm bảo sự ổn định Đối với các đường ống nhỏ, cong đòi hỏi robot phải có nhiều bậc tự do hơn, nếu nhiều body hơn thì cần phải tăng gấp đôi số lượng bánh xe ở phần stator như vậy robot mới ổn định

Hình 1.25 Thiết kế cho ống 70mm

(a) Động cơ và pin gắn trên stator, (b) Động cơ và pin gắn trên rotor

Với các đường ống nhỏ ta thấy robot có thêm khớp (d) (b) và (c) là 2 thiết kế cho đường ống 70mm, 2 thiết kế này khác nhau ở chổ là pin và động cơ gắn trên stator hoặc rotor

Bảng thông số của 4 thiết kế:

Robot có một thiết kế đơn giản và sử dụng phương pháp di chuyển trong ống hiệu quả, pin được tích hợp vào thân của robot Mỗi thiết kế chỉ di chuyển được trong 1 loại kích thước đường ống, nếu bề mặt ống trơn, khó bám robot có thể bị trượt

d) Robot đường ống di động

Nghiên cứu của tác giả O Tătar [4] giới thiệu một số robot đường ống Robot

sử dụng các bánh xe để áp vào thành ống nhờ các lò xo Đây là một phương pháp di chuyển hiệu quả và ít tiêu hao năng lượng Chúng dễ dàng thích nghi với thành ống không đều và nhiều kích thước ống khác nhau Robot bám sát vào thành ống để di chuyển sẽ rất ổn định và hạn chế bị trượt

Hình 1.26 Mẫu 1

(a) Robots đường ống, (b) Sơ đồ nguyên lý

Hình 1.27 Mẫu 2

(a) Robot đường ống, (b) Sơ đồ Các vấn đề quan trọng trong thiết kế và chế tạo robot là phải kết hợp được khả năng di chuyển linh hoạt, trọng lượng nhẹ Mục tiêu thiết kế quan trọng nhất là khả năng thích ứng với điều kiện và đường kính bên trong ống Đây là mẫu robot linh hoạt, cơ cấu này cho phép bánh xe chuyển động theo hướng xuyên tâm Việc điều khiển các bánh xe được truyền động tuyến tính và được sử dụng 2 cảm biến vị trí để giới hạn hành trình Các thiết kế đã được kiểm tra với cac đường ống từ 140 đến 200mm Các hệ thống điều khiển và mô-đun vẫn còn đang phát triển

e) Robot đường ống MORITZ

Nghiên cứu của tác giả Zagler [5] giới thiệu một loại robot di chuyển trong các đường ống Robot có thể leo lên các đường ống cong Nghiên cứu này đã được cải thiện và phát triển trong nhiều dự án nghiên cứu gần đây Sau khi giới thiệu ngắn gọn về mô hình robot thì sẽ đưa ra một số kết quả mô phỏng khi cho robot di chuyển qua các đường ống Hơn nữa robot còn phát triển các khớp cũng như hệ thống cảm biến

Hình 1.28 Robot Moritz

Đây là hình dạng của robot Moritz Toàn robot gồm 2 body, mỗi body gồm 4 tay máy Mỗi tay máy chỉ có 2 bậc tự do, robot di chuyển bằng cách bám các tay máy vào thành ống Tại các khớp đều có các cảm biến để cho phép kiểm tra hoạt động của robot

Hình 1.29 Mô hình khi di chuyển

Để leo qua các đường ống thì robot dùng các tay áp sát vào thành ống để tạo ra lực ma sát Mỗi tay của robot chỉ có 2 bậc tự do, trên 2 phần thân của robot được bố trí 4 tay máy đối xứng nhau Khi robot di chuyển thì cần 4 tay để bám vào thành ống, 4 tay nằm trên 1 mặt phẳng Các tay bám và cách di chuyển của robot qua đường ống cong cho thấy robot phải thay đổi rất nhiều tư thế Robot phải mất 110 giây để di chuyển qua đường ống

Trong bài nghiên cứu này robot Morizt đã cải thiện được phần nào khi leo qua các đường ống vuông góc Đối với các tính năng mới trong bộ điều khiển cho phép xoay trong ống và uốn mình khi qua các nút giao trong đường ống Cần tối ưu hoá tính toán lực cho các tay máy chính xác hơn, điều này đảm bảo lực ma sát bám của robot không thiếu cũng không thừa khi di chuyển

f) Robot đường ống di động

Nghiên cứu của tác giả Ciszewski [6] trình bày về một robot kiểm tra đường ống với một hệ thống định vị Robot được thiết kế di chuyển trong các ống tròn và hình chữ nhật, có hệ thống dẫn hướng chiều ngang, dọc Công trình nghiên cứu còn cho ra một thiết kế hoàn chỉnh, các chức năng của robot tập trung vào thích nghi và theo dõi môi trường làm việc Nghiên cứu còn mô tả chuyển động và động lực học cho robot

Hình 1.30 Mô hình của robot

Hình 1.31 Kích thước của robot

Hình 1.32 Các bộ phận trên robot

(1) Thân, (2) Tay trước, (3) Tay sau, (4) Khớp xoay trước

(5) Khớp xoay sau, (6) Bánh xích Robot di chuyển bằng 2 bánh xích, điểm thích nghi với các loại ống của robot

là nhờ 2 tay máy linh hoạt Mỗi tay máy có 3 bộ phận điều khiển chuyển động Với

cơ cấu này sẽ giúp robot định được các hướng chuyển động

Hình 1.33 Khả năng thích nghi với các đường ống của robot

Hình 1.34 Hoạt động trong đường ống đứng

Đây là quá trình thiết một robot di động kiểm tra đường ống với đánh giá của hơn 20 giải pháp khác nhau Thực tế cần một robot kiểm tra với một cơ chế linh hoạt Nghiên cứu đã đưa ra được các mô phỏng về động lực học, mô hình toán học,

mô phỏng và xây dựng thực nghiệm kiểm chứng Robot có cơ cấu đơn giản, từng bước di chuyển của robot đều được kiểm soát Khả năng thích nghi đường ống tốt Các nghiên cứu về động học robot được tính toán, mô phỏng rất đầy đủ

g) Robot rắn thăm dò đường ống

Nghiên cứu của tác giả Granosik [11] về robot di chuyển chuyển trong đường ống, phương pháp di chuyển được của robot dựa theo di chuyển của loài rắn Nhiều ứng dụng công nghiệp đòi hỏi phải kiểm tra và giám sát trong điều kiện rất khó để tiếp cận, đôi khi rất nguy hiểm Robot rắn là một trong những giải pháp khả thi Robot rắn rất nhỏ gọn, linh hoạt trong mọi điều kiện và chúng có thể đi vào các hang, ống… Từ đó tìm ra mục tiêu và tiến hành khắc phục sự cố Toàn thân robot gồm 5 phần liên kết nhau bằng các khớp 2 bậc tự do, các khớp hoạt động bằng khí nén, chúng sản sinh ra momen xoắn đủ để nâng 2 đoạn ở đầu hoặc cuối lên và vượt