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 28 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. 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. 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). Hình 1. Mô hình kết cấu động học Robot đường ống. TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 19 - 05/2016 29 Hình 2. Mô hình Robot di chuyển trong ống ngang. Hình 3. Mô hình Robot bám đứng trong ống thẳng. Hình 4. Mô hình Robot di chuyển xuống trong ống thẳng. 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: )sin.(2 Tma   (1) Ta cần tìm hàm x = f (Δ) để tính hành trình vít me bi. Ta đưa hệ về dạng chuẩn: 2 2 2 2 x .cos [ 2 sin (sin ) ] m l a am m         (2) Trong đó các thông số được chọn để tính: a = 46 (mm) 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): mslmsl N.kFFF  (3) Xét trạng thái Robot bám trong ống thẳng đứng (hình 3): msms N.kPFF  (4) Xét trạng thái Robot di chuyển xuống trong ống thẳng đứng (hình 4): P-mslFF  (5) Xét trạng thái Robot di chuyển lên trong ống thẳng đứng (hình 5): PN.KFPFF mslmsl  (6) Trong đó: N: Áp lực bánh Robot tác động lên thành ống; msK : Hệ số ma sát nghỉ giữa bánh đai và ống (PVC khô); mslK : 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 mslms KK  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: )(24.22.3*7.0 2 * kg D FM  (7) Tỉ số truyền i = 11/18 truyền động đai nên mô men trên trục motor: )(37.1 18 11 *24.2. kgiMM motor  (8) Hiệu suất truyền động 80% nên: )(71.1 80 100 *37.1 kgM realmotor  (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 . . .32.3.14 6.132(m/ ) 18 /11 V D p i     (10) Xấp xỉ 370 (m/h), hình 6. 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 quan sát trong đường ống thực nghiệm: 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 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 (150- 230mm). 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