Thiết kế, chế tạo robot đường ống cỡ nhỏ quan sát bề mặt trong đường ống, giao tiếp không dây

28<br /> Journal of Transportation Science and Technology, Vol 19, May 2016<br /> <br /> <br /> THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT ĐƯỜNG ỐNG CỠ NHỎ QUAN SÁT<br /> BỀ MẶT TRONG ĐƯỜNG ỐNG, GIAO TIẾP KHÔNG DÂY<br /> DESIGN MODEL OF SMALL PIPE ROBOT SURFACE OBSERVATIONS IN<br /> PIPES, WIRELESS COMMUNICATION<br /> Võ Công Phương, Nguyễn Thanh Sơn<br /> Khoa Điện – Điện tử viễn thông<br /> Tóm tắt: Nội dung chính của bài báo là giới thiệu một loại Robot đường ống có nhiều ứng dụng<br /> khác nhau. Robot này bao gồm một phần di chuyển theo dọc chiều dài ống với nhiệm vụ quan sát bên<br /> trong đường ống qua hệ thống camera, có khả năng dẫn hướng và tạo ra lực bám trên thành ống 150 -<br /> 230mm bằng chuyển động của các bánh xe. Hầu hết các sản phẩm robot dành cho ống cống ngầm<br /> được thiết kế với phương thức truyền tải thông tin và năng lượng bằng dây. Trong dự án này, nhóm<br /> nghiên cứu tập trung vào giải pháp thiết kế Robot cho loại đường ống nổi, truyền tải thông tin không<br /> dây và tính toán năng lượng pin sử dụng một cách hợp lý.<br /> Từ khóa: Robot chui đường ống, điều khiển Robot.<br /> Abstract: The main content of the article is to introduce a Pipe - Robot in many different<br /> applications. The Robot includes a moving part along the length of the pipes is responsible for<br /> observing inside the pipe by the camera system, guiding control and creating traction on the tube 150<br /> -230mm by the motion of the wheels. Most robots designed for underground sewer pipes, the method<br /> of transmitting information and energy by wires. In this project, the researchers’ team focused on<br /> designing solutions for this type of Upper-ground pipe Robots, wireless information transmission and<br /> suitable battery power.<br /> Keywords: Pipe - Robots, control Robot.<br /> <br /> 1. Giới thiệu: Nhiều hãng công nghệ trên thế giới đã và<br /> đang phát triển các loại Robot này như<br /> Ngày nay, các đường ống cấp thoát<br /> Inuktun, honeybeeRobotic…<br /> nước, dầu nhiên liệu, khí đốt, hóa chất …<br /> được sử dụng rộng rãi, phổ biến trong công Hầu hết các sản phẩm robot cho ống<br /> nghiệp và đời sống của chúng ta. Chúng cống ngầm được thiết kế với phương thức<br /> được chế tạo từ rất nhiều loại vật liệu khác truyền tải thông tin và năng lượng bằng dây.<br /> nhau tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng, như Trong dự án này, nhóm nghiên cứu tập trung<br /> nhựa, thép, xi măng… Tuy nhiên, qua thời vào giải pháp thiết kế Robot cho loại đường<br /> gian sử dụng những đường ống này thường ống nổi, truyền tải thông tin không dây và<br /> xuống cấp bởi những tác động từ bên trong tiết kiệm năng lượng pin.<br /> cũng như bên ngoài đường ống. Ví dụ, bề 2. Mô hình vật lý Robot chui đường<br /> mặt trong đường ống bị ăn mòn bởi hóa chất ống<br /> sau thời gian dài, bên ngoài có thể chịu tác Khi phân tích trạng thái làm việc của các<br /> động của mưa gió, môi trường chôn lấp hoặc Robot chui trong đường ống và phân tích các<br /> thậm chí động đất. Còn nhiều nguyên nhân lực di chuyển của Robot bám vào đường ống,<br /> nữa có thể tác động đến chất lượng đường từ đó ta đưa ra phương án bố trí các mô tơ<br /> ống. truyền động cho Robot (từ hình 1 đến hình<br /> Gần đây, với sự phát triển của ngành 5).<br /> công nghiệp Robot, các nhà khoa học có một<br /> giải pháp khác, nhanh hơn, giá thành thấp<br /> hơn. Đó là việc thiết kế ra một Robot chui<br /> vào bên trong đường ống, trang bị camera và<br /> các cảm biến như siêu âm, áp suất… Trạm<br /> kiểm tra thu nhận những dữ liệu này, nó trực<br /> quan cụ thể hơn nhiều so với dữ liệu siêu âm Hình 1. Mô hình kết cấu động học Robot đường ống.<br /> của phương pháp cổ điển.<br /> <br /> <br /> 28<br />  29<br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 19 - 05/2016<br /> <br /> <br /> m = 40 (mm)<br /> l = 78 (mm)<br /> T = 27 (mm) (kích thước cơ cấu truyền<br /> động đai)<br /> Δ = 150 - 230 (mm)<br /> Tính chọn động cơ điện:<br /> Xét trạng thái Robot di chuyển trong ống<br /> Hình 2. Mô hình Robot di chuyển trong ống ngang.<br /> ngang (hình 2):<br /> F  Fmsl  F  N.k msl (3)<br /> Xét trạng thái Robot bám trong ống<br /> thẳng đứng (hình 3):<br /> F  Fms  P  N.k ms (4)<br /> Xét trạng thái Robot di chuyển xuống<br /> Hình 3. Mô hình Robot bám đứng trong ống thẳng. trong ống thẳng đứng (hình 4):<br /> F  Fmsl - P (5)<br /> Xét trạng thái Robot di chuyển lên trong<br /> ống thẳng đứng (hình 5):<br /> F  Fmsl  P  F  N.K msl  P (6)<br /> Trong đó:<br /> Hình 4. Mô hình Robot di chuyển xuống trong ống N: Áp lực bánh Robot tác động lên thành<br /> thẳng. ống;<br /> K ms : Hệ số ma sát nghỉ giữa bánh đai và<br /> ống (PVC khô);<br /> K msl : Hệ số ma sát lăn khi Robot chuyển<br /> động;<br /> P: Trọng lượng Robot;<br /> F: Lực kéo Robot.<br /> Hình 5. Mô hình Robot chuyển động lên trong ống Ta nhận thấy: Lực kéo của Robot ở (6)<br /> thẳng. là lớn nhất, nên chọn động cơ theo (6) và<br /> 3. Mô hình toán Robot đường ống và K ms  K msl nên thay (4) vào (6)<br /> tính toán thiết kế truyền động động cơ Nếu F = 2P thì thỏa mãn (4). Khối<br /> Robot được thiết kế đối xứng ba cụm cơ lượng Robot thiết kế là khoảng 1kg nên lực<br /> cấu con trượt cần lắc lệch tâm để thay đổi kéo Robot phải lớn hơn hoặc bằng 2kg. Vậy<br /> kích thước Robot. Ta có thể chuyển đổi lực kéo mỗi cụm bánh đai nhỏ nhất là ~<br /> thành cơ cấu như hình 1, xét một cụm cơ cấu, 0.7kg (3 cụm). Mô men bánh đai để sinh ra<br /> đường kính làm việc của Robot: lực kéo:<br />   2( a  m. sin   T ) (1) D<br /> M  F*  0.7 * 3.2  2.24( kg ) (7)<br /> Ta cần tìm hàm x = f (Δ) để tính hành 2<br /> trình vít me bi. Tỉ số truyền i = 11/18 truyền động đai<br /> Ta đưa hệ về dạng chuẩn: nên mô men trên trục motor:<br /> x  m.cos  11<br /> M motor  M .i  2.24 *  1.37( kg ) (8)<br /> (2) 18<br />  l  [ a  2am sin   m (sin  ) ]<br /> 2 2 2 2<br /> <br /> Hiệu suất truyền động 80% nên:<br /> Trong đó các thông số được chọn để 100<br /> M motorreal  1.37 *  1.71( kg ) (9)<br /> tính: 80<br /> a = 46 (mm)<br /> 30<br /> Journal of Transportation Science and Technology, Vol 19, May 2016<br /> <br /> <br /> Chọn motor có mô men là 0.25 N.m, tốc quan sát trong đường ống thực nghiệm:<br /> độ trục là 100 vòng/ phút. Tốc độ di chuyển<br /> của Robot:<br />  100<br /> V  .D.  .32.3.14  6.132(m/ p) (10)<br /> i 18 /11<br /> Xấp xỉ 370 (m/h), hình 6.<br /> <br /> Hình 10. Robot chạy và quan sát trong đường ống<br /> thực nghiệm.<br /> Hình 11 là kết quả hoàn thiện sản phẩm<br /> Robot chạy và quan sát trong đường ống<br /> 150 - 230 mm:<br /> <br /> Hình 6. Mô hình kết cấu đai truyền động.<br /> 4. Thiết kế cơ khí Robot đường ống<br /> Robot được thiết kế với cơ cấu chuyển<br /> động 3 bánh đai để bám vào bề mặt hình trụ<br /> trong của ống. Robot thay đổi được kích Hình 11. Robot chui đường ống hoàn thiện.<br /> thước phù hợp với các đường ống khác nhau<br /> 6. Kết luận<br /> (150-230mm).<br /> Thiết kế chế tạo thành công Robot bám,<br /> di chuyển bề mặt trong đường ống (150-<br /> 230mm). Robot có kết cấu nhỏ gọn, trọng<br /> lượng 1kg; được trang bị camera và truyền<br /> hình ảnh quan sát bề mặt đường ống với chất<br /> lượng tương đối tốt trong điều kiện đường<br /> ống nổi.<br /> Hình 7. Kết cấu cơ khi Robot trong ống 230 mm. Robot di chuyển với tốc độ 370 (m/h)<br /> với thời lượng hoạt động 30 phút. Khoảng<br /> cách điều khiển và thu hình ảnh tốt nhất là <<br /> 500m và làm chủ được công nghệ bước đầu<br /> với giá thành rẻ, tỉ lệ nội địa hóa 40% <br /> Tài liệu tham khảo<br /> [1]. Đinh Gia Tường, Tạ Khanh Lam, “Nguyên lý máy”,<br /> Nhà xuất bản giáo dục Việt Nam<br /> Hình 8. Kết cấu cơ khi Robot trong ống 150 mm.<br /> [2]. Atul Gargade1 , Dhanraj Tambuskar2 , Gajanan<br /> Kết cấu cụm thay đổi kích thước Thokal3, “Modelling and Analysis of Pipe Inspection<br /> Robot Robot” International Journal of Emerging<br /> Technology and Advanced Engineering Website:<br /> Cơ cấu con trượt sử dụng vít me bi có www.ijetae.com (ISSN 2250-2459, ISO 9001:2008<br /> hành trình 5cm sẽ thay đổi đường kính bám Certified Journal, Volume 3, Issue 5, May 2013)<br /> Robot từ 150 mm đến 230 mm, hình 9. [3]. Kentarou Nishijima, Yixiang Sun, Rupesh Kumar<br /> Srivastava, Harutoshi Ogai and Bishakh<br /> Bhattacharya, “Advanced pipe inspection Robot using<br /> rotating probe” , The Fifteenth International<br /> Symposium on Artificial Life and Robotics 2010<br /> (AROB 15th ’10), B-Con Plaza, Beppu,Oita, Japan,<br /> February 4-6, 2010.<br /> Ngày nhận bài: 15/04/2016<br /> Hình 9. Cơ cấu cần lắc con trượt thay đổi kích thước Ngày hoàn thành sửa bài: 30/04/2016<br /> Robot. Ngày chấp nhận đăng: 09/05/2016<br /> 5. Kết quả thực hiện mô hình<br /> Hình 10 cho kết quả Robot chạy và<br />