THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT ĐƯỜNG ỐNG

Chia sẻ: Do Xuan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Thêm vào BST

Báo xấu

1.059
lượt xem 246
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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...

Chủ đề:

Bình luận(1) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT ĐƯỜNG ỐNG

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 Cấu trúc của robot đường ống bao gồm năm cụm liên kết với nhau và được miêu tả trên Hình 1, hai cụm Nội dung chính của bài báo là giới thiệu một loại truyền động, một cụm nằm phía trước và một cụm robot dường ống có nhiều ứng dụng khác nhau . nằm phía sau. Robot có hai cụm dẫn hướng trước và Robot này bao gồm một phần di chuyển theo dọc sau, cụm dẫn hướng giữa có nhiệm vụ liên kết và chiều dài ống có nhiệm vụ dẫn hướng, phần còn lại tham gia dẫn hướng cho robot khi robot đi qua đọan giữ vai trò chính là tạo ra lực bám trên thành ống ống có hướng thay đổi. Robot được điều khiển bằng bằng chuyển động của các bánh xe. Một động cơ DC máy tính nhờ sự kết hợp của hai camera bố trí trên hai được đặt giữa những bộ phận liên kết dùng để tạo ra cụm dẫn hướng đầu của robot để đưa dữ liệu hình ảnh sự chuyển động của robot. Tất cả các bánh xe của nó mà nó nhận được về máy tính. bám sát vào mặt trong của ống và có thể thay đổi tùy Robot được thiết kế đủ lực kéo để leo qua các đường theo đường kính của ống như 180 đến 240 mm. Robot ống thẳng đứng đồng thời kéo theo cáp dẫn. Lực này có thể được điều khiển từ xa không dây thông qua được cung cấp bởi hai bộ cụm truyền động nằm phía sóng radio, trong bài báo này dùng cách điều khiển có trước và phía sau robot. Mỗi cụm có các cơ cấu bánh dây. xe linh hoạt áp lên thành ống, ma sát giữa bánh xe và mặt trong ống tạo ra lực kéo để robot di chuyển. ABSTRACT Trong quá trình di chuyển về phía trước cụm truyền động phía trước tạo lực kéo, cụm sau tạo lực đẩy và The paper presents an original robot architecture for ngược lại. 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 Hình 1 : Cấu trúc của robot đường ống robot đường ống. Việc khảo sát và dò tìm các khuyết tật của đường ống kim loại chịu áp lực như ống gas, khí đốt, dầu khí Bộ phận dẫn động và bộ phận dẫn hướng được nối lại .v.v… là một nhu cầu rất cần thiết. với nhau qua cơ cấu bẻ lái như Hình 2 . Cả hai đều Tuy nhiên khi thiết kế robot đường ống này, chúng ta có ba cơ cấu chân bánh xe xếp cách đều 120 độ tròn thường gặp phải những khó khăn sau đây chung quanh thân chính. Ba chân bánh xe thay đổi - Cơ cấu tạo chuyển động bên trong ống chiều dài đồng thời nhờ tác động từ lò xo bố trí như - Sự thay đổi đường kính ống. Hình 2. Lò xo tác động lên cơ cấu chân bánh xe phát - Hướng của ống thay đổi. sinh lực ép lên thành ống. Trên robot thiết kế, lực kéo - Việc cung cấp năng lượng cho robot trong quá trình phát sinh từ các bánh xe và được truyền động bởi một di chuyển. động cơ DC đặt trên đoạn thân sau. Momen động cơ được cơ cấu giảm tốc trục vít truyền qua dây đai ở 2. CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG ROBOT ĐƯỜNG chân xếp như hình 7. Đoạn thân trước không nguồn ỐNG dẫn động, chỉ có một CCD camera dùng để quan sát và được nối với cụm dẫn động qua cơ cấu bẻ lái.
Cô caáu beû laùi Tùy theo trường hợp mà ta có thể rút ra các phương trình ràng buộc quyết định kích thước của cụm và được tính tóan như sau Boä phaän daãn ñoäng Hình 3 : Cụm di chuyển qua khúc co. Boä phaän daãn höôùng Trong trường hợp a(hình 3a) chiều rộng W có ràng buộc như sau: 0 < w < ((R+D/2)sin450 - (R - D/2)) (1) Hình 2 : cơ cấu bẻ lái nối bộ phận dẫn hướng và bộ trong đó : D là đường kính của ống, R là bán kính phận dẫn động cong của đọan ống. Chiều rộng W chỉ có thể có giá trị lớn nhất là đoạn 3. TÍNH TOÁN KÍCH THƯỚC ROBOT ĐƯỜNG HB (trên hình 3 a), ỐNG HB = OB - OH = ((R+D/2)sin450 - (R - D/2)) (2) Do vậy, chiều dài tối đa của 1 cụm đựơc cho bởi: Trước tiên, chúng ta cần tính tóan điều kiện khi robot h = 2 (D/2 + R - (R - D/2 + w)cos450) (3) đi qua một đọan ống cong (Hình 3) là trường hợp khó Chiều dài cụm h = 2Cx trên hình 6a ta có: Cx'= OC - nhất trong quá trình di chuyển của robot. Ox' Hình dạng điển hình của đường ống thường là các = (D/2 + R) - (R - D/2 + w).cos450 (4) mà ống bậc, ống thẳng đứng, co, nhánh rẽ, ống giảm Cx = .Cx' vàvan như được diễn tả trên hình 3. Robot đường ống Trong trường hợp 3b, cả hai đầu của cụm đều nằm di chuyển qua được các dạng ống bậc, di chuyển lên trong đoạn ống cong. Do vậy khỏang thay đổi của và xuống các ống nghiêng nhỏ hơn 300. Những dạng kích thước w co mối quan hệ như sau: đường ống có những giới hạn về mặt kích thước hình ((R + D/2)sin450 - (R - D/2)) < w < D (5) học nên robot đường ống cần được thiết kế thoả mãn Vậy chiều dài tối đa của cụm theo w: các giới hạn đó di chuyển qua được các đọan ống h=2 (6) cong. Trong những giới hạn trên, thì độ cong của Các phương trình (3) và (6) đưa ra các giới hạn về đường ống là trở ngại lớn nhất bởi vì robot sẽ gặp khó kích thước của robot đường ống tùy theo kích thước khăn khi kích thước của nó quá to hay quá dài. Thực của đoạn ống. tế các tiêu chuẩn về đường cong của ống phải có bán Robot đường ống do chúng tôi thiết kế phù hợp cho kính lớn hơn 2/3 lần đường kính của ống. Do vậy mỗi các đường ống có kích thước đường kính thay đổi từ cụm của robot cần thoả mãn điều kiện trên để có thể 180 mm đến 240 mm. Do vậy đường ống được chọn di chuyển được. làm mô hình có đường kính là 220mm được diễn tả Chúng tôi sẽ minh hoạ một co vuông (900) và tính như hình 7. Mạng đường ống bao gồm các ống thẳng toán kích thước cho mỗi cụm trên robot. Một cụm của nằm ngang và đứng, các co vuông 900, co T để giả robot đường ống có thể được mô phỏng đơn giản như định các trường hợp có trong thực tế. là một khối trụ như hình 3. Sau đó robot có thể xem D=220mm bán kinh tại góc lượn được thiết kế có như gồm nhiều cụm liên kết với nhau và ta có thể rút R=D= 220mm ra mối liên hệ giữa đường kính ống, độ cong, và kích Xét trường hợp a) có w lớn nhất thước của mỗi module, vị trí khó nhất của một w = ((R+D/2)sin450 - (R - D/2)) module là nằm nghiêng 450. Trong trường hợp này, = (220+110).sin450 - (220-110) ta có thể xem xét 2 trường hợp: = 123 mm a) Chiều rộng của cụm W nhỏ hơn chiều dài h và cà Nhận xét thấy kết cấu phù hợp nhất để có thể chế tạo hai đầu đều nằm ở phía ngòai đọan cong (hình 3a). với các điều kiện kỹ thuật hiện có thì w có giá trị b) Cả hai đầu của module đều nằm ở phía trong đọan khoảng 180mm trở lên. cong (hình 3b). Vậy với w trên thì ta có h thuộc trường hợp
b)hmax=2 = 315 mm. 4. TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC CƠ CẤU BẺ LÁI Với các giá trị giới hạn w và h ta định ra kích thước bao cho từng cụm robot. Nguyên lý hoạt động của cơ cấu bẻ lái thể hiện trên Dưới đây là hình vẽ chi tiết của một số bộ phận chính Hình 7 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- Hình 7 : Cấu trúc 3D của cơ cấu bẻ lái bánh vit; 9.Động cơ truyền động; 10. Bánh đai; 11.Dây đai. 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 Cụm dẫn động họat động nhờ động cơ (9) và bánh xoay hai bậc tự do. Nó có hai động cơ DC và cơ cấu đai (10) làm quay trục vit (8) và nhờ vậy mà bộ giảm tốc, tuần tự lái nửa cầu trên và nửa cầu dưới. truyền đai răng (11) được dẫn động làm các bánh xe Hai nửa cầu tiếp xúc trên một mặt nghiêng một góc ( chuyển động, chiều chuyển động của bánh xe có thể so với mặt ngang). Liên kết các-đăng bên trong chuyển động theo hai chiều thuận và nghịch tùy theo truyền moment từ động cơ đến nửa cầu trên, liên kết chiều di chuyển của robot. Bánh xe(1) bám lên bề mặt bên ngoài là cơ cấu cứng chỉ dùng nối kết hai khâu, thành ống nhờ lò xo (7) giữ khung nhôm hình bình và ngăn cản dịch chuyển tương đối giữa chúng. Khớp hành (3) luôn được đẩy ra, chính vì vậy mà các bánh nối xiên xoay quanh trục nghiêng. Lần lượt cho nửa xe luôn luôn bị áp sát vào bề mặt của thành ống. cầu trên và nửa cầu dưới xoay, ta thu được chuyển Cụm dẫn hướng đầu (Hình 5) và giữa (Hình 6) có động tương đối của khớp như Hình 8a, Hình 8b là nhiệm vụ quan trọng khi đưa robot đi qua đọan ống trường hợp nửa cầu trên xoay và Hình 8c diễn tả nửa cong. 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 5: Kết cấu đoạn dẫn hướng(cụm đầu) Hình 8 : Nguyên lý hoạt động cơ cấu bẻ lái Hình 9 mô tả sơ đồ động học đơn giản hóa, với Ji và Hình 6: Cụm dẫn hướng trung gian(cụm giữa) 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 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 Hình 9 : Sơ đồ động học đơn giản hóa nhờ một cặp chuyển động của hai motor và hai bộ ly hợp điện từ. Không gian hoạt động của cơ cấu được vẽ như Hình Cơ cấu bẻ lái như Hình 11 có một hệ thống bánh 11 với tâm hình cầu là tâm xoay của khớp, S là đầu răng truyền động, khớp các-đăng nối trục trong và của khâu kế tiếp. Sự hình thành không gian hoạt động ngoài để liên kết các bộ phận của cơ cấu lại. Nếu tổng có thể được giải thích như sau: đầu tiên, nếu cố không có các khớp các-đăng này, hai bán cầu luôn định 1 và thay đổi 2, ta thu được không gian hình quay tự do với nhau trên bạc đạn nằm nghiêng một nón nhỏ, thay đổi 1, ta thu được không gian hình nón góc so với mặt phẳng vuông góc của các trục bánh lớn. Vì vậy, không gian tổng chính là hình nón lớn răng. 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) 7. KẾT LUẬN nhưng có khả năng tạo chuyển động 2 bậc tự do không xoay quanh trục z giống như chuyển động con Robot đường ống do chúng tôi chế tạo có khả năng người. và lần lượt là kinh độ và vĩ độ của điểm S. 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. Hình10: Không gian hoạt động cầu của cơ cấu bẻ lái NXB Đại Học Quốc Gia Tp.HCM, (2000) Trên robot đường ống, cơ cấu bẻ lái được mô tả chi [2]Nguyễn Hữu Lộc. Cơ sở thiết kế máy. NXB tiết tại Hình 11 dưới đây 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