Nghiên cứu phát triển thiết bị tự hành mang thiết bị đo kiểm xác định biên dạng bên trong lòng ống

Nội dung text: Nghiên cứu phát triển thiết bị tự hành mang thiết bị đo kiểm xác định biên dạng bên trong lòng ống

1. NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ TỰ HÀNH MANG THIẾT BỊ ĐO KIỂM XÁC ĐỊNH BIÊN DẠNG BÊN TRONG LÒNG ỐNG Huỳnh Duy Phước1 Đặng Thiện Ngôn2 1 Học viên cao học Đại học Sư phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh 2 Đại học Sư phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh ABSTRACT One of the most important requirements of repairing and maintaining of pipelines is the ability to monitor and evaluate profiles of pipeline interior. In this paper the author present about a self-driving apparatus to traverse pipeline. The mechanism use three independent rubber belt units which are is mounted rotating around the axis of the body, spaced 120 degrees. The apparatus use an active mode to adapt to a wide range of pipeline diameters from 250 mm to 350 mm. Generally, the apparatus system consists of a module body, three module motion, a control system, a camera wifi, a RF module – Radio frequency module, a limit sensor The apparatus will be designed with the help of CAD tool. The control system consists of Atmega2560 microcontroller in a Arduino board and a Graphical User Interface – GUI will be designed by Visual studio C# on Windows. The apparatus system uses three motor to steer the motion, one motor control ball screw and spring loaded four-bar mechanisms to assure that the apparatus expands to have grip of the pipe walls and adjust dimension to adapt pipeline. Unique features of this apparatus are the rubber belt wheel, the four-bar mechanism supports the well grip of wall, a simple and easy user interface. TÓM TẮT Một trong những yêu cầu quan trọng của việc sửa chữa và bảo trì đường ống là khả năng kiểm tra và đánh giá biên dạng bên trong lòng ống. Tác giả bài báo trình bày về một thiết bị tự hành đi trong đường ống. Cơ cấu dùng 3 bộ bánh đai cao su lắp quanh trục quay và cách nhau 120 độ. Thiết bị có khả năng hoạt động tương thích với những đường ống có kích thước từ 250 mm đến 350 mm. Về cơ bản, thiết bị gồm có một cụm thân, ba cụm chuyển động, một bộ điều khiển, một camera wifi, một bộ thu phát RF, một cảm biến giới hạn, Thiết bị sẽ được thiết kế với sự trợ giúp của một phần mềm CAD. Bộ điều khiển là bo mạch Arduino sử dụng vi điều khiển Atmega2560 và một giao diện người dùng được thiết kế bằng phần mềm Visual studio C# trên nền Windows. Thiết bị sử dụng 3 động cơ để di chuyển, một động cơ điều khiển trục vít me bi kết hợp với cơ cấu bốn thanh bản lề để khi bung ra thiết bị tương thích với những đường ống có kích thước khác nhau và bám tốt lên thành ống. Đặc điểm nổi bật của thiết bị này là sử dụng bánh đai cao su, cơ cấu bốn thanh bản lề tạo lực bám tốt lên thành ống và một giao diện đơn giản, dễ sử dụng. 1
2. I. GIỚI THIỆU Đường ống dẫn được xem là cách thức tốt nhất để vận chuyển và phân phối khí và chất lỏng. Đường ống dẫn yêu cầu phải luôn được kiểm tra thường xuyên để bảo đảm hoạt động một cách tốt nhất. Phần lớn các hệ thống ống đều có thể được kiểm tra bằng các dụng cụ kiểm tra bên trong lòng ống, nhưng điểm hạn chế của các dụng cụ này là bị gới hạn bởi chiều dài và hình dạng phức tạp của ống. Nhưng hiện tượng ăn mòn thì lại không giới hạn ở phần nào của ống cả. Vấn đề này đặt ra yêu cầu cần phải tìm ra một phương pháp kiểm tra có khả năng tiếp cận sâu vào những hệ thống ống, kiểm tra tốt hơn mà không làm gián đoạn hoạt động của ống. Thực tế cho thấy rằng kết quả kiểm tra chính xác và đáng tin cậy chỉ có thể thu được bằng cách trực tiếp đi sâu vào và tiếp cận thành ống, nơi đang có sự cố hư hại. Nếu không tiếp cận được vị trí hư hỏng từ bên ngoài, chúng ta có thể di chuyển ở bên trong ống. Đó chính là ý tưởng, vì việc phá vở kết cấu của ống dẫn đến gián đoạn hoạt động của ống để kiểm tra là không khả thi, công việc này có thể được thực hiện nhờ sự trợ giúp của robot kiểm tra bên trong lòng ống. Nguyên tắc cơ bản khi thiết kế một robot di chuyển trong đường ống chính là kích thước của loại đường ống cần hướng tới. Nhưng có một điều là kích thước đường ống thì có nhiều loại, tùy thuộc vào lưu lượng cũng như nhu cầu sử dụng của con người. Nhằm đáp ứng yêu cầu này nhiều robot với thiết kế có khả năng tương thích với các loại đường kính ống khác nhau đã được giới thiệu [1]-[10]. Và theo đó nhiều cơ cấu có khả năng thay đổi kích thước đường kính bao ngoài của robot cũng đã được giới thiệu. Những cơ cấu đơn giản nhất thường dùng các loại vật liệu hay thành phần có khả năng đàn hồi (ví dụ như lò xo) để cho robot luôn luôn bám lên thành ống một cách tốt nhất [2]-[3]. Kiểu thiết kế này thường đơn giản và dễ thực hiện. Tuy nhiên, các robot có kiểu thiết kế này gặp một hạn chế là chỉ có thể thay đổi trong một giới hạn nhỏ của kích thước đường kính ống. Một vài thiết kế robot dùng các loại cơ cấu thanh liên kết (hay cơ cấu bản lề) để robot có khả năng tương thích với đường kính ống trong một dải rộng [4]-[8]. Hệ thống cơ cấu bản lề liên kết này nếu kết hợp với một số thành phần đàn hồi (không cần bộ truyền động), cũng có thể tương thích với dải đường kính rộng mà kết cấu lại đơn giản. Ngoài ra cũng có những loại cơ cấu có khả năng đáp ứng sự thay đổi đường kính ống khác, kiểu thiết kế này thường dùng các cơ cấu truyền động để điều khiển phản lực pháp tuyến áp lên thành ống tại các vị trí tiếp xúc với thành ống của robot. Ưu điểm của những loại robot này là dải đường kính có thể thay đổi lớn, đáp ứng nhuần nhuyễn, dễ tự động hóa, nhưng nhược điểm của robot dạng này là thường có kích thước lớn, khó chế tạo [9],[10]. Trong bài báo này, tác giả giới thiệu một kết cấu robot có khả năng di chuyển trong các ống thẳng nằm ngang hay thẳng đứng có đường kính từ 250 – 350 mm. II. KẾT CẤU CƠ KHÍ Thiết kế thiết bị tự hành như hình (1) với cụm cơ cấu chính là cơ cấu bản lề liên kết. Mỗi bánh sẽ được nối với thân thiết bị bằng một cụm cơ cấu bản lề. Các cụm bánh được bố trí lệch nhau một góc 1200. Động cơ truyền động cho bánh đai qua bộ truyền bánh đai, 2
3. vận hành êm ái, chính xác cao. Thiết bị có thể thay đổi kích thước của nó bằng cơ cấu vít me – đai ốc được bố trí ở tâm thiết bị. Nguyên lý hoạt động: Với kiểu thiết kế này, thiết bị có thể tùy chỉnh kích thước để phù hợp với các loại đường ống có kích thước đường kính nằm trong dãy từ 250 mm đến 350 mm một cách tốt nhất. Cho thiết bị vào đường ống, tùy chỉnh kích thước của nó cho thích hợp với đường ống nhất. Khi đó các bánh sẽ ăn khớp với biên dạng đường ống. Các cụm bánh khi chuyển động sẽ giúp nó di chuyển bênh trong ống. 1-Thân thiết bị; 2-Cụm dẫn động; 3-Cánh tay đòn của cụm cơ cấu 4 thanh bản lề; 4-Cơ cấu lò xo tăng áp lực tiếp xúc; 5-Cụm chứa bộ điều khiển, nguồn pin; 6-Đồ gá gắn thiết bị đo; 7-Camera Hình 1: Mô hình kết cấu tổng thể Khi đưa thiết bị vào các đường ống có kích thước đường kính khác nhau nhờ vào cơ cấu vit me – đai ốc bi ở tâm, kết hợp với cơ cấu thanh bản lề liên kết sẽ làm cho kích thước đường kính bao ngoài của thiết bị thay đổi, giúp thiết bị tiếp xúc tốt với biên dạng đường ống. Hình 2: Nguyên lý thay đổi kích thước thiết bị 3
4. III. PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN Hình 3: Sồ đồ phân bố lực trên thiết bị tự hành Nếu gọi F là lực kéo cần thiết được sinh ra do ma sát của bánh đai và thành ống để giữ cho thiết bị ở vị trí cân bằng, Fms là lực ma sát giữa bánh đai và thành ống, μ là hệ số ma sát giữa bánh đai và thành ống, theo định luật III Newton ta có biểu thức: F F  N mg ms (1) Suy ra, áp lực N của một bên bánh đai được tính như sau: (2) Khi đó áp lực N tính cho 3 bánh đai được tính theo công thức: F N (3) 3  Xây dựng phương trình cân bằng lực theo 2 phương X và Y, ta có hệ:  FX 0 (4) F 0  Y 4 F1 cos 1 2 F 2 cos 2  N m 1 g 0 4 FFN sin 2 sin 0 1 1 2 2 2 F2 cos 2 4 F 1 cos 1 m 1 g  N 4 FFN sin 2 sin 1 1 2 2 4
5. Ncos 2 (  N m 1 g ) sin 2 F1 4sin( 12 ) (5) Ncos (  N m g ) sin F 1 1 1 2 2sin( ) 12 Theo hình 3, bán kính trong R của đường ống được tính theo một trong hai công thức sau: RHLH sin 1 1 1 3 (6) RHLH sin 2 2 2 4 (7) Tổng khối lượng của thiết bị sau khi thiết kế (bao gồm cả phần điều khiển, dây cáp) là khoảng 9kg, vì vậy trọng lượng của thiết bị là khoảng 90N, khi đó áp lực N áp lên thành ống khoảng 30N. Theo các phương trình (3), (5), (6), (7) ta có biểu đồ lực F1 và F2 tương ứng với các loại ống có kích thước từ 250 mm đến 350 mm. Ta nhận thấy rằng, hai lực này tỉ lệ nghịch với kích thước đường kính ống. 20 15 10 F1 Lực Lực (N) 5 F2 0 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 Bán kính ống (mm) Hình 4: Biểu đồ lực F1 và F2 theo kích thước đường kính Khi điều khiển thiết bị đạt đến kích thước của đường kính mong muốn, tiếp theo ta cần phải tạo áp lực đủ lớn lên thành ống để nó có thể di chuyển trong ống, khi đó các khoảng cách L, L2 và góc α2 sẽ thay đổi. Theo đó, ta có khoảng cách L sẽ thay đổi khi tùy chỉnh kích thước và áp lực lên thành ống, L được tính theo công thức sau: LLLD cos cos 1 1 2 2 (8) Lấy vi phân 2 vế phương trình (7) và (8) theo các biến L, L2 và góc α2, ta được: LL2 sin 2  2 cos 2 2 0 (9) LLL cos  sin 2 2 2 2 2 L22sin  2 cos L 22 2 sin 2 LL 22 cos cos 2 L  L 2 (10) cos 2 5
6. Theo nguyên lý công ảo, ta có:  U 0 Suy ra: FLFL   0 22a (11) Trong đó Fa là tải trọng dọc trục của vít me khi tăng hoặc giảm kích thước đường kính bao ngoài của thiết bị. Từ phương trình (10) và (11), ta có biểu thức tính độ lớn của Fa như sau: FF cos a 22 (12) Yêu cầu tiếp theo của bài toán là cần phải tính mô men xoắn cần thiết của động cơ: Hình 5: Mô hình khai triển của một vòng xoắn vít me Ta có thể xem vít me là một mặt phẳng nghiêng quấn quanh một trục. Nếu ta trải phẳng một vòng ren của vít me. Chúng ta có thể xây dựng mối liên hệ giữa góc xoắn α, bán kính r và bước tiến của vít me theo công thức sau: P tag B (13) 2 r Ở đây N là áp lực sinh ra do tải trọng tác dụng lên bề mặt vít me, và Fms=μN là lực ma sát sinh ra trong quá trình vít me hoạt động. Áp dụng phương trình cân bằng lực theo 2 phương ngang và thẳng đứng, ta có: Fd F ms cos Nsin (14) F Ncos F sin a ms Biến đổi hệ phương trình trên ta có công thức tính lực đẩy:  tag FFda (15) 1  tag Với r là bán kính của đường kính ngoài vít me, ta có mô men do lực Fd sinh ra được tính theo công thức:  tag T Fda r F r (18) 1  tag Thay phương trình (13) vào phương trình (18), ta có:  2 rP B T Fda r F r (19) 2 rP B 6
7. Áp dụng phương trình (3), (5), (12) và (19) với vít me có đường kính 15mm, ta có biểu đồ mô men xoắn cần thiết của động cơ điều chỉnh kích thước thiết bị tự hành trong các ống có đường kính từ 250 mm – 350 mm, như sau: 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 Td 0.04 Mô men Mômen xoắn(Nm) 0.02 0 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 Bán kính đường ống (mm) Hình 6: Biểu đồ mô men xoắn của động cơ điều chỉnh Từ hình 6 ta thấy mô men cần thiết của động cơ tùy chỉnh sẽ giảm dần khi kích thước đường kính tăng dần. Vì vậy nếu động cơ đáp ứng được điều kiện mô men xoắn với kích thước đường ống nhỏ thì cũng sẽ đáp ứng được trong kích thước đường kính lớn hơn. Do đó ta sẽ chọn động cơ theo kích thước đường ống có đường kính trong 250 mm, mô men xoắn cần thiết của động cơ tùy chỉnh trong trường hợp này là 0,139 N.m IV. BỘ PHẬN ĐIỀU KHIỂN 1. Sơ đồ khối của bộ điều khiển Mọi hoạt động của thiết bị tự hành đều được điều khiển và giám sát từ xa. Ta sẽ sử dụng bộ thu phát RF (Radio frequency) để điều khiển và thu thập các thông số hoạt động của thiết bị. Dữ liệu về hình ảnh sẽ được truyền về máy tính qua mạng Wifi theo chuẩn TCP/IP. Hình 7: Sơ đồ khối tổng quan thiết bị tự hành Hình 8: Sơ đồ khối phần điều khiển và thu thập dữ liệu 7
8. Hình 9: Sơ đồ khối phần điều khiển và thu thập dữ liệu 2. Phần mềm và giao diện điều khiển Phần mềm gồm 2 khối chính: khối giao diện người sử dụng được cài đặt trên máy tính và chương trình điều khiển được nhúng vào bo mạch Arduino. Các dữ liệu được nhập qua giao diện trên máy tính sẽ được gửi đến bo mạch điều khiển Arduino bằng bộ phát sóng RF. Phần mềm giao diện: được lập trình và cài đặt trên máy tính cung cấp một giao diện thân thiện cho phép người sử dụng nhập các thông số cần điều khiển cho thiết bị tự hành như đường kính ống, vận tốc di chuyển và áp lực lên thành ống, đồng thời hiển thị các thông số của thiết bị tự hành trong quá trình hoạt động như quãng đường đã đi được, vận tốc di chuyển (hình 3.25). Chương trình điều khiển: từ các dữ liệu do người sử dụng nhập vào và cung cấp qua bộ RF, các thông số hoạt động của hệ thống sẽ được tính toán như sau: Hình 10 : Giao diện điều khiển thiết bị tự hành 8
9. Lưu đồ của chương trình điều khiển được trình bày như ở hình 3.26: Begin Y Reset? N N Serial enable ? Y Y Press Stop? Stop system N N Press HOME? Y N HOME? HOME Y Y Calculate L, Motor 4 run & Y Expand? Rpm vitme? Stop motor 4 rpm vitme count encoder 4 N N Motor 1,2,3 run Y & count encoder Forward? Calculate rpm 1,2,3 & Synchronous N motor 1,2,3 Motor 1,2,3 run Y & count encoder Reward? Calculate rpm 1,2,3 N & Synchronous motor 1,2,3 End Hình 11 : Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển thiết bị 9
10. 3. CHẾ TẠO VÀ THỦ NGHIỆM Bảng 1: Góc lệch ∆ khi thiết bị di chuyển với quảng đường 4 m STT Quảng đường (m) Góc lệch ∆ (độ) ∆/10mm 1 4 8 0.02 2 4 7 0.0175 3 4 9 0.0225 4 4 8 0.02 5 4 9 0.0225 Trung bình 8,2 0.0205 Hình 12: Thiết bị di chuyển vào và ra khỏi ống Vậy góc lệch trung bình trên 10 mm khi thiết bị di chuyển trong ống xấp xỉ khoảng 0,0205o/10mm. Xảy ra hiện tượng này là do thiết bị chưa có khả năng nhận dạng được góc lệch so với vị trí cân bằng ban đầu, dẫn đến sai số hệ thống tích lũy tăng dần. B10mm2: Vmm. Xảy ra hiện tượng này là do thiết bị chưa có khả Quảng đường Vận tốc cài đặt Thời gian di Vận tốc thực STT (m) (m/phút) chuyển (phút) (m/phút) 1 4 2 2,08 1,92 2 4 2 2,05 1,95 3 4 2 2,15 1,86 4 4 2 1,98 2,01 5 4 2 1,92 2,08 Trung bình 1,96 Vận tốc trung bình của thiết bị xấp xỉ khoảng 1,96 m/phút, sai lệch so với vận tốc đặt khoảng 2%. 10
11. V. KẾT LUẬN Robot tự hành sau khi chế tạo có khả năng di chuyển dọc trong ống nằm ngang và thẳng đứng có đường kính từ 250 – 350 mm. Việc điều khiển robot được thực hiện qua giao diện giám sát trên máy tính, người điều khiển chỉ cần nhập các thông số như đường kính ống, tốc độ di chuyển, áp lực cần thiết lên thành ống, vận tốc di chuyển và điều khiển robot bằng các nút điều khiển đã được thiết kế trên màn hình. Ngoài ra, người dùng có thể giám sát các thông số như vận tốc di chuyển, thời gian hoạt động, thời lượng pin từ màn hình điều khiển trên máy tính. VI. THẢO LUẬN Hiện tại, robot vẫn còn một số vấn đề cần phải tiếp tục nghiên cứu sâu hơn như - Sử dụng cảm biến gia tốc con quay hồi chuyển để xác định góc quay của robot - Xây dụng giải thuật điều khiển thông minh cho robot khi di chuyển trong ống - Thử nghiệm robot trong đường ống dẫn thực tê VII. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Tấn Tiến, Giáo Trình Nguyên Lý Máy, ĐH Bách khoá Tp Hồ Chí Minh. [2] Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, Tính Toán Thiết Kế Hệ Dẫn Động Cơ Khí, Nhà xuất bản Giáo Dục 2006. [3] R. M. Gooch, T. A. Clarke, and T.J. Ellis. A semi-autonomous sewer surveil-lance and inspection vehicle. In Intelligent Vehicles Symposium, 1996., Pro-ceedings of the 1996 IEEE, pages 64–69, 1996. [4] Marina Kolesnik. Visual orientation and motion control of makro - adap-tation to the sewer environment. In in Proc. 7th Int. Conf. on Simulation of Adaptive Behavior, pages 62–69. MIT Press, 2002. [5] H. Streich and O. Adria. Software approach for the autonomous inspection robot makro. In Robotics and Automation, 2004. Proceedings. ICRA ’04. 2004 IEEE International Conference on, volume 4, pages 3411–3416 Vol.4, 2004. [6] H. B Kuntze and H. Haffner. Experiences with the development of a robot for smart multisensoric pipe inspection. In Robotics and Automation, 1998. Proceedings. 1998 IEEE International Conference on, volume 2, pages 1773–1778 vol.2, 1998 [7] F. Tache, W. Fischer, R. Siegwart, R. Moser, and F. Mondada. Compact mag-netic wheeled robot with high mobility for inspecting complex shaped pipe structures. In Intelligent Robots and Systems, 2007. IROS 2007. IEEE/RSJ Inter-national Conference on, pages 261–266, 2007. 11
12. [8] Fabien Tache, Francois Pomerleau, Gilles Caprari, Roland Siegwart, Michael Bosse, and Roland Moser. Three-dimensional localization for the magnebike inspection robot. Journal of Field Robotics, 28(2):180–203, 2011. [9] E. Zwicker, W. Zesch, and R. Moser. A modular inspection robot platform for power plant applications. In Applied Robotics for the Power Industry (CARPI), 2010 1st International Conference on, pages 1–6, 2010 [10] Hagen Schempf, Edward Mutschler, Vitaly Goltsbergm, and William Crowley. Grislee: Gasmain repair and inspection system for live entry environments. The International Journal of Robotics Research, 22(7-8):603–616, 2003 [11] Hagen Schempf, Edward Mutschler, Alan Gavaert, George Skoptsov, and William Crowley. Visual and nondestructive evaluation inspection of live gas mains using the explorer™ family of pipe robots. Journal of Field Robotics, 27(3):217–249, 2010. 12
13. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.