Luận văn Nghiên cứu phát triển thiết bị tự hành mang thiết bị đo kiểm xác định biên dạng bên trong lòng ống (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu phát triển thiết bị tự hành mang thiết bị đo kiểm xác định biên dạng bên trong lòng ống (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HUỲNH DUY PHƯỚC NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ TỰ HÀNH MANG THIẾT BỊ ĐO KIỂM XÁC ĐỊNH BIÊN DẠNG BÊN TRONG LÒNG ỐNG NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 S K C0 0 5 0 8 5 Tp. Hồ Chí Minh
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HUỲNH DUY PHƯỚC NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ TỰ HÀNH MANG THIẾT BỊ ĐO KIỂM XÁC ĐỊNH BIÊN DẠNG BÊN TRONG LÒNG ỐNG NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐẶNG THIỆN NGÔN Tp. Hồ Chí Minh, tháng /
3. 1 LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: HUỲNH DUY PHƯỚC Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 26/08/1988 Nơi sinh: Quảng Ngãi Quê quán: Dân tộc: Kinh Chức vụ, đơn vị công tác trước khi học tập, nghiên cứu: Địa chỉ liên lạc: 69/1, đường 494, P. Tăng Nhơn Phú A, Quận 9, TP.HCM. Điện thoại riêng: 0904998714 E-mail: phuochuynh@sots.com.vn II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 2007 - 2012 Nơi học: Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Ngành học: Công nghệ tự động Tốt nghiệp: Năm 2012 Người hướng dẫn: PGS. TS. Đặng Thiện Ngôn 3. Thạc sĩ: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 10/2013 đến 10/2015 Nơi học (trường, thành phố): Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Ngành học: Kỹ thuật Cơ khí Tên luận văn: “Nghiên cứu phát triển thiết bị tự hành mang thiết bị đo kiểm xác định biên dạng bên trong lòng ống”. Ngày & nơi bảo vệ luận văn: . Trường ĐHSPKT.TpHCM Người hướng dẫn: PGS. TS. Đặng Thiện Ngôn 4. Tiến sĩ: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ / đến / i
4. Tại (trường, viện, nước): Tên luận án: Người hướng dẫn: 5. Trình độ ngoại ngữ: Tiếng Anh, tương đương B1 6. Học vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật được chính thức cấp; số bằng, ngày & nơi cấp: III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 04/2012 – 08/2015 Trường Cao Đẳng Nghề CNC Đồng An Giảng viên 09/2015 – 12/2015 Cty TNHH NTI Việt Nam Nhân viên kỹ thuật 01/2016 - nay Công ty TNHH Tự động hoá S5 Nhân viên kỹ thuật IV. CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ: Ngày 10 tháng 02năm 2016 XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN CỬ ĐI HỌC Người khai ký tên Huỳnh Duy Phước ii
5. 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của 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. Tp. Hồ Chí Minh, ngày . Tháng năm 20 . (Ký tên và ghi rõ họ tên) Huỳnh Duy Phước iii
6. 3 LỜI CẢM ƠN Trong thời gia00n thực hiện luận văn “Nghiên cứu phát triển thiết bị tự hành mang thiết bị đo kiểm xác định biên dạng bên trong lòng ống”, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ của quý thầy, cô các chuyên gia, các công ty, bạn bè và gia đình. Vậy nay tôi: Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy PGS. TS. Đặng Thiện Ngôn, đã dành nhiều thời gian, tâm huyết truyền đạt những kiến thức khoa học quý báu, hướng dẫn, định hướng, động viên tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Xin cảm ơn quý thầy, cô Trường ĐHSPKT TP. HCM đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức nền tảng, chuyên môn cho tôi trong thời gian tôi học tập tại trường. Xin cảm ơn gia đình đã luôn ở bên tôi. Xin chân thành cảm ơn! iv
7. 4 TÓM TẮT Để kiểm tra đánh giá chất lượng đường ống đã đưa vào sử dụng đòi hỏi cần có các thiết bị chuyên dụng. Trong thực tế ở Việt Nam, việc kiểm tra đánh giá đường ống gần như do các công ty dịch vụ nước ngoài đảm nhiệm. Tập đoàn dầu khí Việt Nam có một đơn vị cũng tham gia vào dịch vụ này với thiết bị ngoại nhập và chỉ có thể thực hiện kiểm tra đánh giá cho các đường ống có đường kính lớn hơn 400mm. Với kích thước đường ống nhỏ hơn 400mm đòi hỏi các thiết bị kiểm tra chuyên dụng phức tạp, đắt tiền. Trước nhu cầu từ thực tiễn và mong muốn làm chủ công nghệ, đề tài “Nghiên cứu phát triển thiết bị tự hành mang thiết bị đo kiểm xác định biên dạng bên trong lòng ống”đã được triển khai với các kết quả đạt được như sau: - Nghiên cứu, đề xuất được nguyên lý, kết cấu cơ khí, phương thức và giải thuật điều khiển cho thiết bị tự hành mang camera nhằm xác định biên dạng bên trong lòng ống có đường kính nhỏ hơn 400mm. - Thiết kế, chế tạo thử nghiệm thành công thiết bị tự hành mang camera xác định biên dạng bên trong lòng ống với dữ liệu ảnh được truyền qua WiFi. Thiết bị đã được chế tạo và thử nghiệm thành công ở phòng thí nghiệm có khả năng hoạt động bên trong những đường ống có kích thước từ 250 mm đến 350 mm cho kết quả tốt. Kết quả này đóng góp vào việc phát triển, làm chủ công nghệ và từng bước đưa sản phẩm đo kiểm đánh giá chất lượng ống ra thị trường để đáp ứng nhu cầu thực tiễn trong nước. v
8. ABSTRACT In order to carry out inspection and evaluation quality of pipelines in use we need function equipment. In actually at Viet Nam, pipelines were inspected and evaluated by foreigner companies. Viet Nam petrol group have one department handle this service by foreign equipment, however this department only performed inspection and evaluation for pipelines with minimum diameter more than 400mm and they need more complex equipment with high cost for minimum diameter less than 400mm. In order to solve this concern, and even expectation in handle this technology, thesis topic “researching and develop self-propelled equipment with automatic measure equipment to determine shape inside pipelines”, this thesis topic was performed with following results. - Researched, proposed principles, mechanical structure, control methods and algorithms for self-propelled equipment carried camera to determine shape inside pipelines with maximum diameter less than 400mm. - Successful in designed, fabricated and experimented self – driving apparatus carried camera to determine shape inside pipelines with image was transferred via Wifi network. Equipment was fabricated and experimented at experiment Lab with results as this equipment operated well inside pipeline with diameter from 250mm to 350mm. these results contributed into development, handle this technology and also step by step provide good equipment for industrial’ inspection and evaluation quality of pipelines. vi
9. 5 MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN iii LỜI CẢM ƠN iv TÓM TẮT v MỤC LỤC vii DANH MỤC HÌNH ẢNH x DANH MỤC BẢNG BIỂU xiii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1 1.1.1 Đặt vấn đề 1 1.1.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước 2 1.1.3 Các công trình nghiên cứu trong nước 2 1.1.4 Các nghiên cứu ở nước ngoài 3 1.1.5 Đánh giá một số ưu nhược điểm của các thiết bị robot tự hành đang có 12 1.2 Tính cấp thiết của đề tài 12 1.3 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài 14 1.3.1 Tính thực tiễn của đề tài 14 1.3.2 Ý nghĩa khoa học của đề tài 14 1.4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 15 1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 15 1.5.1 Đối tượng nghiên cứu 15 1.5.2 Phạm vi nghiên cứu 15 1.6 Phương pháp nghiên cứu 15 1.7 Nội dung của đề tài 16 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 17 2.1 Các dạng hư hỏng ảnh hưởng đến biên dạng bên trong đường ống dẫn 17 2.1.1 Mất mát kim loại 17 2.1.2 Trầy xướt, rạn nứt bề mặt ống 17 2.1.3 Các bất thường trong quá trình chế tạo 18 2.1.4 Nứt gãy ống 19 2.1.5 Dập lõm và gập ống 19 2.2 Phương pháp kiểm tra xác định biên dạng ống 19 vii
10. 2.2.1 Công nghệ CCTV 19 2.2.2 Công nghệ kiểm tra biên dạng bằng laser 20 2.2.3 Lựa chọn công nghệ nào cho phù hợp 23 2.3 Lý thuyết về cấu tạo cơ cấu 23 2.3.1 Khái niệm cơ bản Error! Bookmark not defined. 2.3.2 Thành phần khớp động và khớp động 24 2.3.3 Phân loại khớp động 25 2.3.4 Lược đồ 25 2.4 Bậc tự do của cơ cấu 26 2.4.1 Định nghĩa. 26 2.4.2 Tính bậc tự do của cơ cấu không gian (trường hợp tổng quát) 26 2.4.3 Bậc tự do của cơ cấu phẳng 28 2.5 Động học cơ cấu 30 2.5.1 Khái niệm 30 2.5.2 Ý nghĩa của phân tích động học cơ cấu 30 2.5.3 Phương pháp phân tích động học cơ cấu 30 2.5.4 Phân tích động học cơ cấu phẳng bằng phương pháp giải tích 31 2.5.5 Phân tích động học cơ cấu phẳng bằng phương pháp đồ thị 31 2.5.6 Phân tích động học cơ cấu phẳng bằng phương pháp họa đồ vector 33 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 34 3.1 Thông số thiết kế 34 3.2 Phương án thiết kế 34 3.2.1 Phương án 1 34 3.2.2 Phương án 2 36 3.2.3 So sánh các phương án và lựa chọn 37 3.2.4 Trình tự công việc cần thực hiện 38 3.3 Thiết kế lựa chọn 38 3.4 Nội dung tính toán, thiết kế 40 3.4.1 Xác định các kích thước cơ bản của thiết bị 40 3.4.2 Xác định các kích thước cơ sở của thiết bị: 40 3.4.3 Phân tích động học cơ cấu của thiết bị 42 3.4.4 Tính toán cụm dẫn động 50 3.4.5 Chọn động cơ truyền động cho cụm bánh đai 57 viii
11. 3.4.6 Tính chọn nguồn cung cấp 58 3.4.7 Sơ đồ khối của bộ điều khiển 60 3.4.8 Sơ đồ khối mạch nguyên lý điều khiển thiết bị tự hành 61 3.4.9 Mạch điều khiển thiết bị tự hành 61 3.4.10 Phần mềm và giao diện điều khiển 63 CHƯƠNG 4: CHẾ TẠO VÀ KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ 65 4.1 Chế tạo và lắp ráp chi tiết 65 4.2 Vận hành thử nghiệm thiết bị 67 4.2.1 Mục đích thí nghiệm 67 4.2.2 Thiết bị thử nghiệm 67 4.2.3 Thiết bị đo 68 4.2.4 Tiến hành thí nghiệm 68 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 PHỤ LỤC 78 ix
12. 6 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Những sự cố quan trọng trong đường ống dẫn chất lỏng [13] 1 Hình 1.2: Robot giám sát và vệ sinh đường ống nước thải [37] 2 Hình 1.3: Robot thông đường ống tàu biển [38] 3 Hình 1.4: Chàng kỹ sư xây dựng và con robot thám hiểm cống ngầm [39] 3 Hình 1.5 MAKRO [4] 4 Hình 1.6:Khả năng di chuyển qua ống co chữ L của robot 4 Hình 1.7: Hình ảnh robot Explorer II 5 Hình 1.8: Robot Scan [12] 6 Hình 1.9: MRINSPECT IV [14] 7 Hình 1.10: itRobotics’ autonomous inspection system [20] 7 Hình 1.11: Robot Horodinca [21] 8 Hình 1.12: Robot di chuyển giống rắn [22] 8 Hình 1.13: Inchworm robot với cơ cấu kẹp và đẩy [24] 9 Hình 1.14: Mô hình robot inchworm dùng SMA [27] 10 Hình 1.15: Hình dạng cơ bản của robot đi bằng chân trong ống [29] 10 Hình 1.16: Robot tự hành Inuktun’s Vertical Crawler [31] 11 Hình 1.17: Robot RODIS-series của hãng Diakont chế tạo [31] 11 Hình 2.1: Đường ống bị mất kim loại do mòn [35] 17 Hình 2.2: Đường ống bị trầy xướt [35] 18 Hình 2.3: Kim loại bị tách lớp do quá trình chế tạo [35] 18 Hình 2.4: Bề mặt lớp kim loại bị nứt gãy [35] 19 Hình 2.5: Đường ống bị dập lõm [36] 19 Hình 2.6: Hình ảnh ghi lại từ CCTV camera [42] 20 Hình 2.7: Nguyên lý hoạt động của LIDAR [43] 21 Hình 2.8: Biên dạng ống được kiểm tra bằng thiết bị LIDAR [43] 22 Hình 2.9: Nguyên lý hoạt động của Laser profile [44] 22 Hình 2.10: Thiết bị kiểm tra biên dạng trong ống bằng Laser profile [44] 23 Hình 2.11: Khâu và chi tiết máy [1] 24 Hình 2.12: Thành phần khớp động và hớp động [1] 24 Hình 2.12: Khớp loại cao [1] 25 Hình 2.13: Khớp loại thấp [1] 25 x
13. Hình 2.14: Lược đồ khớp quay và hớp tịnh tiến [1] 25 Hình 2.15: Lược đồ khâu pít tông và trục khuỷ [1] 26 Hình 2.16: Chuỗi động trong không gian [1] 26 Hình 2.17: Lược đồ cơ cấu 4 khâu bản lề [1] 27 Hình 2.18: Lược đồ cơ cấu hình bình hành [1] 28 Hình 2.19: Phân tích cơ cấu hình bình hành [1] 29 Hình 2.20: Lược đồ cơ cấu tay quay con trượt [1] 31 Hình 2.21: Lược đồ cơ cấu 4 khâu bản lề [1] 32 Hình 3.1: Thiết bị với cụm dẫn động sử dụng bộ truyền bánh răng 34 Hình 3.2: Cụm dẫn động 35 Hình 3.3: Thiết bị tự hành nhìn trực diện từ phía trước 35 Hình 3.4: Nguyên lý điều chỉnh cụm bánh đai khi hoạt động trong các ống khác nhau 35 Hình 3.5: Thiết bị với khả năng tùy chỉnh kích thước bằng trục vít me – đai ốc bi 36 Hình 3.6: Cụm dẫn động 37 Hình 3.7: Nguyên lý thay đổi kích thước thiết bị 37 Hình 3.8: Mô hình kết cấu tổng thể 38 Hình 3.9: Ý tưởng thiết kế cơ cấu của thiết bị tự hành 39 Hình 3.10: Sồ đồ phân bố lực trên thiết bị tự hành 41 Hình 3.11: Mô hình động học của thiết bị 42 Hình 3.12: Trường hợp v1=v2=v3 44 Hình 3.16: Mô hình bài toán giữ vật trong ống 50 Hình 3.17: Biểu đồ lực F1 và F2 theo kích thước đường kính 52 Hình 3.18: Mô hình khai triển của một vòng xoắn vít me 53 Hình 3.19: Biểu đồ mô men xoắn của động cơ điều chỉnh 54 Hình 3.20: Phác thảo mô hình điều khiển của thiết bị tự hành 60 Hình 3.21: Sơ đồ khối tổng quan thiết bị tự hành 61 Hình 3.22: Sơ đồ khối phần điều khiển và thu thập dữ liệu 61 Hình 3.23: Sơ đồ khối phần điều khiển và thu thập dữ liệu 61 Hình 3.24: Bo Arduino Atmega 2560 62 Hình 3.25 : Giao diện điều khiển thiết bị tự hành 63 Hình 3.26 : Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển thiết bị 64 Hình 4.1: Cơ cấu phuộc lò xo sau khi chế tạo 65 Hình 4.2: Cánh tay đòn 65 xi
14. Hình 4.3: Cụm bánh đai chuyển động 66 Hình 4.4: Tấm di động 66 Hình 4.5: Cụm động cơ tùy chỉnh kích thước 66 Hình 4.6: Thiết bị sau khi được chế tạo 67 Hình 4.7: Kiểm tra độ bám của cơ cấu bánh lên thành ống 68 Hình 4.8: Thiết bị di chuyển bên trong ống 69 Hình 4.9: Động cơ bước bị trượt 69 Hình 4.10: Thiết bị bám tốt lên thành ống đường kính 250mm 70 Hình 4.11: Thiết bị đang di chuyển trong lòng ống 70 Hình 4.12: Góc lệch ∆ sơ với phương đứng 71 xii
15. 7 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Bảng so sánh các phương án. 37 Bảng 3.2: Bảng các thông số kích thước cơ sở của thiết bị tự hành 41 Bảng 3.3: Thông số động cơ bước AR66AA-3 56 Bảng 3.4: Thông số kỹ thuật động cơ NEMA 17SHD40500 56 Bảng 3.5: Thông số kỹ thuật động cơ DC JGA25-371-08 57 Bảng 3.6: Thông số pin Li-po dùng cho nguồn cung cấp 60 Bảng 4.1: Góc lệch ∆ khi thiết bị di chuyển với quảng đường 4 m 71 Bảng 4.2: Vận tốc di chuyển của thiết bị trong đường ống dài 4 m 72 xiii
16. 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1.1 Đặt vấn đề Robotics là một trong những lĩnh vực kỹ thuật phát triển nhanh nhất, hiện nay chúng được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong các nhà máy sản xuất công nghiệp (ví dụ như hàn điểm, bốc dở hàng hóa, lắp ráp, ). Về cơ bản robot được thiết kế nhằm làm giảm sự có mặt của lao động con người trong những môi trường nặng nhọc và độc hại. Robot đôi khi cũng được con người dung để khám phá những nơi mà con người không thể tiếp cận hay đặt chân đến (ví dụ như khám phá đáy đại dương, khám phá sao hỏa ). Khi phải làm việc trong những đường ống có hình dạng phức tạp, cũng như những nguy hiểm có thể xảy ra bên trong lòng ống cũng là một yêu cầu để đưa robot vào làm thay công việc của con người. Việc kiểm tra đường ống là rất cần thiết, đặc biệt là các đường ống dẫn dầu, khí, nước, chỉ cần một khuyết tật nhỏ bên trong ống cũng có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng. Để kiểm tra các đường ống như vậy, yêu cầu robot phải được chế tạo đặc biệt để có thể di chuyển bên trong ống, kiểm tra biên dạng ống, ghi nhận lại hình ảnh bên trong ống, hoặc cũng có thể lấy các mẫu vật bên trong ống, Theo khảo sát của tổ chức PHMSA về đường ống trong vòng 20 năm qua thì những tổn thất về độ mòn đường ống xảy ra nhiều nhất. Hình 1.1: Những sự cố quan trọng trong đường ống dẫn chất lỏng [13] Qua đó ta thấy nguy hại về ăn mòn ống dẫn chiếm tỷ lệ cao (689 trong 2925 số nguy hại), điều đó có nghĩa là việc kiểm tra đánh giá độ mòn của ống dẫn là vấn đề rất quan trọng 1
17. Với vai trò quan trọng đó, việc nâng cao năng suất, chất lượng mối hàn, chất lượng bề mặt ống, độ mòn của ống sau một thời gian sử dụng cũng như phương pháp đo kiểm đánh giá chất lượng ống khi sản xuất và trong quá trình sử dụng luôn là vấn đề cấp bách được quan tâm nghiên cứu. Ngày nay, đã có nhiều công trình ứng dụng thành công các công nghệ tiên tiến để chế tạo ra các thiết bị kiểm tra tự động giúp tăng năng suất lao động gấp nhiều lần và có độ tin cậy cao. Vì những lý do trên, nên việc nghiên cứu thiết kế một thiết bị tự hành mang thiết bị để đo kiểm, đánh giá chất lượng, độ mòn,biên dạng ống là một vấn đề cần thiết và cấp bách. 1.1.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước Hiện nay, có rất nhiều nghiên cứu liên quan đến đề tài cả trong nước và nước ngoài. 1.1.3 Các công trình nghiên cứu trong nước a. Robot vệ sinh và giám sát đường ống Đây là thiết kế của nhóm sinh viên Trường Đại học SPKT TP Hồ Chí Minh chế tạo do PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh hướng dẫn. Đặc điểm của robot này theo thiết kế dùng để giám sát và có khả năng nạo vét cho các đường ống thoát nước có đường kính lớn: Hình 1.2: Robot giám sát và vệ sinh đường ống nước thải [37] b. Robot thông đường ống các loại tàu biển Robot do PGS. TS. Nguyễn Tấn Tiến, khoa cơ khí trường ĐH Bách Khoa (ĐHQG TP.HCM), chủ trì thiết kế và chế tạo. Ưu điểm nổi bật của robot này là được điều khiển từ xa với thiết kế nhỏ gọn, có thể đi vào những đường ống có kích thước tối thiểu về 2
18. chiều cao là 24cm, chiều ngang 30cm. Theo thiết kế robot có thể hoạt động trong đường ống, di chuyển và dùng chổi để làm sạch bụi bẩn, chất bám dính trong các đường ống của tàu. Hình 1.3: Robot thông đường ống tàu biển [38] c. Robot thám hiểm cống ngầm Đây là robot do kỹ sư xây dựng Nguyễn Minh Hưng chuyên viên dự án Thoát nước và vệ sinh môi trường TP Buôn Ma Thuột chế tạo. Ưu điểm chính của con robot này là ghi lại hình ảnh tình trạng ống thoát nước ngầm, giúp cho người điều khiển phân tích, đánh giá được thực trạng của cống ngầm. Ngoài ra, nó còn có thể mang theo đường ống dẫn nước áp lực cao để thông tắc cống trong trường hợp cần thiết. Hình 1.4: Chàng kỹ sư xây dựng và con robot thám hiểm cống ngầm [39] 1.1.4 Các nghiên cứu ở nước ngoài a. Robot di chuyển bằng bánh xe thông thường Một kiểu thiết kế phổ biên (cả trong công nghiệp) là dùng bánh xe để cho robot di chuyển bên trong ống như hình 1.5. Robot có thiết kế giống KARO [56] và MAKRO [3- 5] dùng kiểu thiết kế này, ở robot MAKRO cũng có những khớp nối liên kết giữa 3
19. các module của xe với nhau. Những chiếc xe robot này có khối lượng và thể tích được tối ưu cho việc di chuyển bên trong ống (vì vậy chúng có hình dạng khối cơ bản là hình trụ), bên cạnh đó chúng thường rất nặng (vì chúng phải kéo một loạt các module theo sau, nhờ những module bánh xe cung cấp đủ lực kéo). Robot cũng được trang bị camera và những cảm biến khác (cảm biến siêu âm đo khoảng cách, con quay hồi chuyển, áp suất, cảm biến khí gas, ). Hình 1.5 MAKRO [4] Các loại robot dạng này chỉ có khả năng di chuyển qua đoạn uốn cong và góc chữ T của những ống có đường kính lớn hơn nhiều so với đường kính của robot. Phụ thuộc vào hình dạng ống đã chọn, chiều dài của robot không được quá lớn so với đường kính ống, như hình 1.6 là một mặt cắt 2D cho ta thấy kích thước lớn nhất của robot để nó còn có thể đi qua đoạn cong của ống cho trước. Hình 1.6:Khả năng di chuyển qua ống co chữ L của robot Trong ống thép người ta thường dùng bánh từ để làm tăng lực kéo của xe robot. Một trong những nguyên tắc cơ bản của loại thiết kế này là làm sao chuyển lực từ ở 4
20. trạng thái on sang off. Robot được thiết kế bởi Kawaguchi [6] dùng thiết kế bánh kiểu wheel-in-whell. Robot do EPFL và ALSTOM chế tạo [7 - 9] dùng một loạt các cơ cấu ly hợp và những thiết kế khác như thêm bộ lọc để đáp ứng yêu cầu này. Như đã trình bày, robot được thiết kế theo nguyên lý này có khả năng di chuyển trong nhiều loại đường ống, đồng thời mang được nhiều thiết bị kiểm tra đường ống. Tuy nhiên robot cũng có những điểm hạn chế như trọng lượng phải lớn để tạo độ bám lên thành ống, kích thước chiều dài lớn nên khó di chuyển qua các đoạn ống cong. b. Robot Explorer-II Explore II (hình 1.7) là một robot kiểm tra đường ống tự hành được thiết kế bởi CMU (Carnegie Mellon University). Dự án nghiên cứu này trải qua nhiều giai đoạn nâng cấp. Những thử nghiệm đầu tiên của hệ thống đã được triển khai vào cuối năm 2005. Dự án bắt đầu với tên GRISLEE [10]. Kết quả đã được công bố vào năm 2010 bởi Schempf [11]. Ưu điểm của hệ thống này là có thể tự hành kiểm tra ngoại quang trong ống dài 1km nhờ các module cung cấp năng lượng được kéo theo robot. Cũng giống như robot di chuyển bằng bánh xe MAKRO, robot được chế tạo theo nguyên lý này do có chiều dài lớn, mang theo nhiều cụm chức năng nên trọng lượng robot lớn. Mặt khác, với nguyên lý tạo áp lực lên thành ống kiểu thụ động bằng lò xo nên robot chỉ di chuyển trong các đường ống nhỏ, có khoảng biến động về đường kính nhỏ. Hình 1.7: Hình ảnh robot Explorer II 5
21. c. RobotScan RobotScan (hình 1.8) là một ý tưởng thiết kế bởi Foster-Miller [12], được cải tiến từ một mẫu thí nghiệm trước đó, có tên là Pipe-mouse. Ưu điểm của robot này là khả năng tự hành một cách linh hoạt, tương thích với nhiều loại đường ống có kích thước khác nhau. Tuy nhiên robot dạng này cũng có một số hạn chế như khó bố trí thiết bị kiểm tra, chuyển động gồm nhiều khâu khớp phức tạp nên khó khăn cho việc điều khiển, bảo trì bảo dưỡng, ngoài ra robot dạng này chỉ thích hợp để hoạt động trong các đường ống nhỏ. Hình 1.8: Robot Scan [12] d. Robot MRINSPECT Các thế hệ Robot MRINSPECT (Multifunction Robot for IN-pipe inSPECTion) đã được phát triển cách đây hơn 10 năm. Do nhóm nghiên cứu của Se-gon Roh, đại học Sungkyunkwan Hàn Quốc. Robot này cũng thuộc vào loại xe robot có bánh kẹp thành ống, có khả năng đi qua các mối nối chữ T. Một số lớn các mẫu thiết kế đã được công bố bởi Roh [13-19]. Hiện tại MRINSPECT đã có phiên bản thứ VI. Robot này có ưu điểm là di chuyển linh hoạt trong ống thẳng và cong, mang được nhiều thiết bị kiểm tra. Tuy nhiên điểm hạn chế của robot này là chỉ di chuyển trong một vài loại đương ống có đường kính nằm trong khoảng lân cận nhau. Ngoài ra chi phí chế tạo một robot dạng này là rất lớn. 6
22. S K L 0 0 2 1 5 4