Tải bản đầy đủ

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

28

Journal of Transportation Science and Technology, Vol 19, May 2016

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT ĐƯỜNG ỐNG CỠ NHỎ QUAN SÁT
BỀ MẶT TRONG ĐƯỜNG ỐNG, GIAO TIẾP KHÔNG DÂY
DESIGN MODEL OF SMALL PIPE ROBOT SURFACE OBSERVATIONS IN
PIPES, WIRELESS COMMUNICATION
Võ Công Phương, Nguyễn Thanh Sơn
Khoa Điện – Điện tử viễn thông
Tóm tắt: Nội dung chính của bài báo là giới thiệu một loại Robot đường ống có nhiều ứng dụng
khác nhau. Robot này bao gồm một phần di chuyển theo dọc chiều dài ống với nhiệm vụ quan sát bên
trong đường ống qua hệ thống camera, có khả năng dẫn hướng và tạo ra lực bám trên thành ống 150 230mm bằng chuyển động của các bánh xe. Hầu hết các sản phẩm robot dành cho ống cống ngầm
được thiết kế với phương thức truyền tải thông tin và năng lượng bằng dây. Trong dự án này, nhóm
nghiên cứu tập trung vào giải pháp thiết kế Robot cho loại đường ống nổi, truyền tải thông tin không
dây và tính toán năng lượng pin sử dụng một cách hợp lý.
Từ khóa: Robot chui đường ống, điều khiển Robot.
Abstract: The main content of the article is to introduce a Pipe - Robot in many different
applications. The Robot includes a moving part along the length of the pipes is responsible for
observing inside the pipe by the camera system, guiding control and creating traction on the tube 150
-230mm by the motion of the wheels. Most robots designed for underground sewer pipes, the method

of transmitting information and energy by wires. In this project, the researchers’ team focused on
designing solutions for this type of Upper-ground pipe Robots, wireless information transmission and
suitable battery power.
Keywords: Pipe - Robots, control Robot.

Nhiều hãng công nghệ trên thế giới đã và
đang phát triển các loại Robot này như
Inuktun, honeybeeRobotic…
Hầu hết các sản phẩm robot cho ống
cống ngầm được thiết kế với phương thức
truyền tải thông tin và năng lượng bằng dây.
Trong dự án này, nhóm nghiên cứu tập trung
vào giải pháp thiết kế Robot cho loại đường
ống nổi, truyền tải thông tin không dây và
tiết kiệm năng lượng pin.
2. Mô hình vật lý Robot chui đường
ống
Khi phân tích trạng thái làm việc của các
Robot chui trong đường ống và phân tích các
lực di chuyển của Robot bám vào đường ống,
từ đó ta đưa ra phương án bố trí các mô tơ
truyền động cho Robot (từ hình 1 đến hình
5).

1. Giới thiệu:
Ngày nay, các đường ống cấp thoát
nước, dầu nhiên liệu, khí đốt, hóa chất …
được sử dụng rộng rãi, phổ biến trong công
nghiệp và đời sống của chúng ta. Chúng
được chế tạo từ rất nhiều loại vật liệu khác
nhau tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng, như
nhựa, thép, xi măng… Tuy nhiên, qua thời
gian sử dụng những đường ống này thường
xuống cấp bởi những tác động từ bên trong
cũng như bên ngoài đường ống. Ví dụ, bề
mặt trong đường ống bị ăn mòn bởi hóa chất
sau thời gian dài, bên ngoài có thể chịu tác
động của mưa gió, môi trường chôn lấp hoặc
thậm chí động đất. Còn nhiều nguyên nhân
nữa có thể tác động đến chất lượng đường


ống.
Gần đây, với sự phát triển của ngành
công nghiệp Robot, các nhà khoa học có một
giải pháp khác, nhanh hơn, giá thành thấp
hơn. Đó là việc thiết kế ra một Robot chui
vào bên trong đường ống, trang bị camera và
các cảm biến như siêu âm, áp suất… Trạm
kiểm tra thu nhận những dữ liệu này, nó trực
quan cụ thể hơn nhiều so với dữ liệu siêu âm
của phương pháp cổ điển.

Hình 1. Mô hình kết cấu động học Robot đường ống.

28


TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 19 - 05/2016

Hình 2. Mô hình Robot di chuyển trong ống ngang.

29

m = 40 (mm)
l = 78 (mm)
T = 27 (mm) (kích thước cơ cấu truyền
động đai)
Δ = 150 - 230 (mm)
Tính chọn động cơ điện:
Xét trạng thái Robot di chuyển trong ống
ngang (hình 2):
F  Fmsl  F  N.k msl

(3)

Xét trạng thái Robot bám trong ống
thẳng đứng (hình 3):
F  Fms  P  N.k ms
Hình 3. Mô hình Robot bám đứng trong ống thẳng.

(4)

Xét trạng thái Robot di chuyển xuống
trong ống thẳng đứng (hình 4):
F  Fmsl - P

(5)

Xét trạng thái Robot di chuyển lên trong
ống thẳng đứng (hình 5):
F  Fmsl  P  F  N.K msl  P
Hình 4. Mô hình Robot di chuyển xuống trong ống
thẳng.

(6)

Trong đó:
N: Áp lực bánh Robot tác động lên thành
ống;
K ms : Hệ số ma sát nghỉ giữa bánh đai và

Hình 5. Mô hình Robot chuyển động lên trong ống
thẳng.

3. Mô hình toán Robot đường ống và
tính toán thiết kế truyền động động cơ
Robot được thiết kế đối xứng ba cụm cơ
cấu con trượt cần lắc lệch tâm để thay đổi
kích thước Robot. Ta có thể chuyển đổi
thành cơ cấu như hình 1, xét một cụm cơ cấu,
đường kính làm việc của Robot:
  2( a  m. sin   T )
(1)
Ta cần tìm hàm x = f (Δ) để tính hành
trình vít me bi.
Ta đưa hệ về dạng chuẩn:
x  m.cos 

 l  [ a  2am sin   m (sin  ) ]
2

2

2

2

(2)

Trong đó các thông số được chọn để
tính:
a = 46 (mm)

ống (PVC khô);
K msl : Hệ số ma sát lăn khi Robot chuyển
động;
P: Trọng lượng Robot;
F: Lực kéo Robot.
Ta nhận thấy: Lực kéo của Robot ở (6)
là lớn nhất, nên chọn động cơ theo (6) và
K ms  K msl nên thay (4) vào (6)
Nếu F = 2P thì thỏa mãn (4). Khối
lượng Robot thiết kế là khoảng 1kg nên lực
kéo Robot phải lớn hơn hoặc bằng 2kg. Vậy
lực kéo mỗi cụm bánh đai nhỏ nhất là ~
0.7kg (3 cụm). Mô men bánh đai để sinh ra
lực kéo:
M  F*

D
 0.7 * 3.2  2.24( kg )
2

(7)

Tỉ số truyền i = 11/18 truyền động đai
nên mô men trên trục motor:
M motor  M .i  2.24 *

11
 1.37( kg )
18

(8)

Hiệu suất truyền động 80% nên:
M motorreal  1.37 *

100
 1.71( kg )
80

(9)


30

Journal of Transportation Science and Technology, Vol 19, May 2016

Chọn motor có mô men là 0.25 N.m, tốc
độ trục là 100 vòng/ phút. Tốc độ di chuyển
của Robot:

100
V  .D. 
.32.3.14  6.132(m/ p) (10)
i

quan sát trong đường ống thực nghiệm:

18 /11

Xấp xỉ 370 (m/h), hình 6.
Hình 10. Robot chạy và quan sát trong đường ống
thực nghiệm.

Hình 11 là kết quả hoàn thiện sản phẩm
Robot chạy và quan sát trong đường ống
150 - 230 mm:
Hình 6. Mô hình kết cấu đai truyền động.

4. Thiết kế cơ khí Robot đường ống
Robot được thiết kế với cơ cấu chuyển
động 3 bánh đai để bám vào bề mặt hình trụ
trong của ống. Robot thay đổi được kích
thước phù hợp với các đường ống khác nhau
(150-230mm).

Hình 7. Kết cấu cơ khi Robot trong ống 230 mm.

Hình 8. Kết cấu cơ khi Robot trong ống 150 mm.

Kết cấu cụm thay đổi kích thước
Robot
Cơ cấu con trượt sử dụng vít me bi có
hành trình 5cm sẽ thay đổi đường kính bám
Robot từ 150 mm đến 230 mm, hình 9.

Hình 9. Cơ cấu cần lắc con trượt thay đổi kích thước
Robot.

5. Kết quả thực hiện mô hình
Hình 10 cho kết quả Robot chạy và

Hình 11. Robot chui đường ống hoàn thiện.

6. Kết luận
Thiết kế chế tạo thành công Robot bám,
di chuyển bề mặt trong đường ống (150230mm). Robot có kết cấu nhỏ gọn, trọng
lượng 1kg; được trang bị camera và truyền
hình ảnh quan sát bề mặt đường ống với chất
lượng tương đối tốt trong điều kiện đường
ống nổi.
Robot di chuyển với tốc độ 370 (m/h)
với thời lượng hoạt động 30 phút. Khoảng
cách điều khiển và thu hình ảnh tốt nhất là <
500m và làm chủ được công nghệ bước đầu
với giá thành rẻ, tỉ lệ nội địa hóa 40% 
Tài liệu tham khảo
[1]. Đinh Gia Tường, Tạ Khanh Lam, “Nguyên lý máy”,
Nhà xuất bản giáo dục Việt Nam
[2]. Atul Gargade1 , Dhanraj Tambuskar2 , Gajanan
Thokal3, “Modelling and Analysis of Pipe Inspection
Robot”
International
Journal
of
Emerging
Technology and Advanced Engineering Website:
www.ijetae.com (ISSN 2250-2459, ISO 9001:2008
Certified Journal, Volume 3, Issue 5, May 2013)
[3]. Kentarou Nishijima, Yixiang Sun, Rupesh Kumar
Srivastava, Harutoshi Ogai
and Bishakh
Bhattacharya, “Advanced pipe inspection Robot using
rotating probe” , The Fifteenth International
Symposium on Artificial Life and Robotics 2010
(AROB 15th ’10), B-Con Plaza, Beppu,Oita, Japan,
February 4-6, 2010.

Ngày nhận bài: 15/04/2016
Ngày hoàn thành sửa bài: 30/04/2016
Ngày chấp nhận đăng: 09/05/2016



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×