Thiết kế, chế tạo thiết bị thăm dò, kiểm tra đường ống có đường kính 300mm

MẪU 14KHCN BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌCCẤP TRƯỜNG Tên đề tài Thiết kế, chế tạo thiết bị thăm dò, kiểm tra đường ống có đường kính 300 mm Mã số đề tài 192 Đ01 Chủ nhiệm đề tài ThS Nguyễn Hoanh Đơn vị thực hiện Khoa Công Nghệ Điện ồ 1 LỜI CÁM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đối với lãnh đạo nhà trường, các khoa, phòng ban, đã kết hợp và tạo điều kiện để tôi hoàn thành đề tài Tôi cũng xin.

BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌCCẤP TRƯỜNG Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo thiết bị thăm dị, kiểm tra đường ống có đường kính 300 mm Mã số đề tài: 192.Đ01 Chủ nhiệm đề tài: ThS Nguyễn Hoanh Đơn vị thực hiện: Khoa Công Nghệ Điện LỜI CÁM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành lãnh đạo nhà trường, khoa, phòng ban, kết hợp tạo điều kiện để tơi hồn thành đề tài Tơi xin chân thành cám ơn thành viên nhóm thực đề tài, phản biện đề tài nhiệt tình tham gia đóng góp ý kiến giúp tơi hồn thành đề tài hạn PHẦN I THÔNG TIN CHUNG I Thông tin tổng quát 1.1 Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo thiết bị thăm dò, kiểm tra đường ống có đường kính 300 mm 1.2 Mã số: 192.Đ01 1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực đề tài TT Họ tên (học hàm, học vị) Ths Nguyễn Hoanh Khoa công nghệ Điện Viết firmware hồn chỉnh với TS Ngơ Thanh Quyền Khoa công nghệ Điện Thử nghiệm thiết bị điều Ths Nguyễn Đức Tồn Khoa cơng nghệ Điện Lắp ráp, chế tạo CEPBOT, gia Ths Lê Long Hồ Khoa công nghệ Điện Chế tạo mạch điện tử, Đơn vị cơng tác Vai trị thực đề tài đầy đủ tính đề ra, viết phần mềm hồn chỉnh với đầy đủ tính đề để kết nối thống với PC qua phần mềm hỗ trợ, nâng cấp, khắc phục, cải tiến kiện hoạt động đánh giá, nâng cấp, khắc phục, cải tiến công phần khung sườn CEPBOT, chế tạo mạch điện tử, module chuyên biệt module chuyên biệt, tổng hợp số liệu báo cáo 1.4 Đơn vị chủ trì: Khoa Công nghệ Điện 1.5 Thời gian thực hiện: 1.5.1 Theo hợp đồng: từ tháng năm 2019 đến tháng năm 2020 1.5.2 Gia hạn (nếu có): tháng 1.5.3 Thực thực tế: từ tháng 01 năm 2019 đến tháng 01 năm 2020 1.6 Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có): (Về mục tiêu, nội dung, phương pháp, kết nghiên cứu tổ chức thực hiện; Nguyên nhân; Ý kiến Cơ quan quản lý) 1.7 Tổng kinh phí phê duyệt đề tài: 90 triệu đồng II Kết nghiên cứu Đặt vấn đề Từ lâu, công tác tu, bảo dưỡng, sửa chữa đường ống không gian hạn chế dây chuyền sản xuất công nghiệp đặt khó khăn khơng nhỏ, chí thực Đối với khu vực có diện tích nhỏ hẹp hay có mơi trường độc hại cao, việc để người tiếp cận để kiểm tra, xử lý trục trặc nhìn chung cơng việc khó việc tiếp cận để quan sát bên lòng ống thiết bị nguy hiểm cho người Đặc biệt, ống nhỏ mà người khơng vào cơng việc gần khơng thể thực Vì vậy, xã hội đặt nhu cầu giải pháp việc cải tiến, thiết kế chế tạo thiết bị giúp sửa chữa đường ống không gian hạn chế Nắm bắt từ thực tế nhiều nước giới ứng dụng Robot để phục vụ nhiều lĩnh vực như: công nghiệp, nông nghiệp quân sống sinh hoạt ngày Trong tương lai Robot công cụ hỗ trợ đắc lực cho người giúp người vươn đến tầm cao Nhận thức xu hướng tầm quan trọng Robot tương lai, từ nhu cầu thực tế, nhận thấy việc ứng dụng công nghệ robotic vào công việc cần thiết Robot thay người thực cơng việc kiểm tra, tìm kiếm thăm dị vị trí hư hỏng ghi nhận lại thông số liệu đường ống không gian hạn chế, vị trí, địa điểm độc hại, nguy hiểm mà người tiếp cận thực được…mở tiềm ứng dụng rộng rãi, an toàn tin cậy trình hoạt động hệ thống thiết bị hữu với chất lượng sản phẩm ổn định, giá thành thấp Do đó, nhóm nghiên cứu đề xuất phát triển đề tài “Thiết kế, chế tạo robot thăm dị, kiểm tra đường ống có đường kính 300 mm” Mục tiêu a Mục tiêu tổng quát - Nghiên cứu thiết kế, chế tạo Robot công nghiệp có tính chun biệt, tiêu biểu để phục vụ cho công tác kiểm tra, tu, bảo dưỡng, sửa chữa thiết bị, đường ống điều kiện môi trường độc hại, hạn hẹp khơng an tồn cho dây chuyền sản xuất công nghệ nhà máy - Làm chủ thành tựu công nghệ vi điều khiển, công nghệ thông tintruyền thông hướng tới nhận dạng, điều khiển thông minh - Xây dựng phần mềm giải pháp điều khiển theo chuẩn công nghiệp b Mục tiêu cụ thể - Thiết kế chế tạo mơ hình vật lý robot di chuyển đường ống (ống sắt, nhựa, thép 304) có kích thước 300mm÷20mm, di chuyển theo phương ngang, đứng, cua góc ÷ 900 (Đường kính ống cong 1.5D lần đường ống thẳng) Trong D đường kính ống - Thiết kế chế tao module lắp đặt camera để giám sát đường ống đồng thời điều chỉnh góc nghiêng camera - Thiết kế module điều khiển động truyền động, xử lý thông tin từ camera, đọc tín hiệu cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm thiết lập truyền thơng bên ngồi thơng qua liên kết có dây - Viết chương trình máy tính tương tác với người dùng: Hiển thị hình ảnh đường ống, hiển thị giá trị đo lường từ cảm biến điều khiển chuyển động cho robot - Viết chương trình firmware build thành service: Thu thập hình ảnh đường ống, tiền xử lý hình ảnh nén frame ảnh thu thập gửi lên sever/máy tính để hiển thị lên giao diện phần mềm ngưới dùng Thuật toán xử lý ảnh tự động phát dị vật, đo đạc chiều rộng chiều sâu khuyết tật chướng ngại vật đường ống, báo trạng thái dị vật board điều khiển trung tâm qua giao tiếp I2C để tự động điều khiển Robot Ngôn ngữ sử dụng Python, thư viện nguồn mở OPENCV sử dụng cho thuật toán xử lý ảnh real-time - Thử nghiệm thực tế, tối ưu kế hoạch tu bảo dưỡng; chuẩn đốn phân tích, đánh giá thăm dị đường ống, ghi nhận đánh giá điều kiện an toàn cho người thực cơng việc dây chuyền sản xuất nhà máy - Nhóm nghiên cứu hy vọng qua việc thực đề tài nghiên cứu đóng góp phần phương pháp luận, kết ứng dụng thực tế sản xuất việc nghiên cứu, giảng dạy ứng dụng robot nước đáp ứng cầu tự động hóa cơng nghiệp nước ta Phương pháp nghiên cứu • − − − • − − − • − − − • − − − • − − − Nội dung : Khảo sát đánh giá thực trạng Cách tiếp cận: Khảo sát, quan sát lắng nghe Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Thu thập phân tích Kết dự kiến: Bản báo cáo kết khảo sát đánh giá thực trạng Nội dung : Nghiên cứu chuyên môn Cách tiếp cận: Nghiên cứu thực nghiệm Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Thu thập, phân tích, khảo sát thực nghiệm Kết dự kiến: Bản báo cáo chun mơn thiết kế mơ hình Robot; truyền liệu giao tiếp nối tiếp qua Robot; lập trình vi điều khiển; lập trình giao diện xử lý ảnh máy tính sử dụng ngơn ngữ lập trình Python Nội dung : Xây dựng, kết nối phần cứng, phần mềm Cách tiếp cận: Xây dựng hệ thống thực nghiệm Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Phân tích thực nghiệm Kết dự kiến: Sơ đồ khối hệ thống; sơ đồ nguyên lý khối; lưu đồ giải thuật Nội dung : Sản xuất Cách tiếp cận: Thực nghiệm Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Thực nghiệm Kết dự kiến: Mơ hình vật lý hệ thống; phần mềm: Phần mềm điều khiển Robot, phần mềm giao tiếp điều khiển máy tính, phần mềm giao tiếp máy tính với Robot Nội dung : Lắp đặt thực tế, vận hành thử nghiệm Cách tiếp cận: Thực nghiệm kiểm tra Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Thực nghiệm kiểm tra Kết dự kiến: Báo cáo kết lắp đặt thử nghiệm hệ thống • Nội dung : Phát triển giáo dục − Cách tiếp cận: Tìm tài liệu, phân tích, lên phương án thực nghiệm − Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Hướng dẫn phân tích, lên kế hoạch thực nghiệm − Kết dự kiến: Báo cáo luận văn tốt nghiệp/đề tài nghiên cứu; mô hình vật lý luận văn tốt nghiệp/đề tài nghiên cứu khoa học Tổng kết kết nghiên cứu Về phần cứng Nhóm thực đề tài đưa mơ hình phần cứng phù hợp với yêu cầu thực tiễn từ phương án xây dựng phần cứng đưa nghiên cứu Sau xây dựng khung từ phương án thiết kế, nhóm thực đề tài tiến hành lắp đặt thực nghiệm trường để đưa đánh giá hệ thống, từ đưa phương án bổ sung, hiệu chỉnh, thay đổi Về phần mềm Nhóm thực đề tài thiết kế xây dựng phần mềm đáp ứng tất yêu cầu đặt từ thực tiễn Phần mềm thiết kế có giao diện đáp ứng với yêu cầu thực tế Thuật toán điều khiển xây dựng dựa sơ đồ nghiên cứu ban đầu chỉnh sửa, bổ sung thuật tốn, hiệu chỉnh thơng số để phù hợp với môi trường thật, đáp ứng yêu cầu vận hành thực tế robot Đánh giá kết đạt kết luận Các kết đạt - Hồn thành thiết kế, chế tạo mơ hình vật lý robot di chuyển đường ống (ống sắt, nhựa, thép 304) có kích thước 300mm÷20mm, di chuyển theo phương ngang, đứng, cua góc ÷ 900 (Đường kính ống cong 1.5D lần đường ống thẳng) Trong D đường kính ống - Hoàn thành lắp đặt camera để giám sát đường ống đồng thời điều chỉnh góc nghiêng camera - Hoàn thành thiết kế, chế tạo module điều khiển động truyền động, xử lý thông tin từ camera, đọc tín hiệu cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm thiết lập truyền thơng bên ngồi thơng qua liên kết khơng dây - Hồn thành chương trình máy tính tương tác với người dùng: Hiển thị hình ảnh đường ống, hiển thị giá trị đo lường từ cảm biến điều khiển chuyển động cho robot - Thử nghiệm thực tế, tối ưu kế hoạch tu bảo dưỡng; chuẩn đốn phân tích, đánh giá thăm dò đường ống, ghi nhận đánh giá điều kiện an tồn cho người thực công việc dây chuyền sản xuất nhà máy Kết luận Các kết đạt đề tài đáp ứng yêu cầu thực tiễn robot dễ dàng ứng dụng rộng rãi Tóm tắt kết Phần cứng Mơ hình vật lý robot di chuyển đường ống Phần mềm Chương trình máy tính tương tác với người dùng Bài báo khoa học Tên báo: EFFICIENT DEEP LEARNING-BASED NETWORK FOR CRACK DETECTION IN PIPELINE SYSTEMS Tên tạp chí: Journal of Theoretical and Applied Information Technology Ngày đăng: 30/11/2019 Số: 97(22) Loại tạp chí: SCOPUS III Sản phẩm đề tài, công bố kết đào tạo 3.1 Kết nghiên cứu (sản phẩm dạng 1,2,3) Dạng I: Mẫu (model, maket); Sản phẩm (là hàng hố, tiêu thụ thị trường); Vật liệu; Thiết bị, máy móc; Dây chuyền cơng nghệ; Giống trồng; Giống vật nuôi loại khác; TT Tên sản phẩm Robot Chỉ tiêu chất lượng chủ yếu Mẫu tương tự (theo tiêu chuẩn nhất) Cần đạt Trong Thế nước giới Module thân Robot: Thiết bị đại, đáp ứng tốt môi trường công nghệ Nhà máy: - Đường kính ống: 300±20mm - Chiều dài cáp: 50m - Đường kính ống cua: 1.5xD - Số động cơ: - Số bánh xe: 12 - Vật liệu: Thép không gĩ - Tốc độ cực đại: 4m/Phút Module phần cứng cho hệ thống điều khiển trung tâm thiết bị ngoại vi: Hệ thống đại, đáp ứng tốt chuẩn giao tiếp công nghiệp thông dụng, hoạt động ổn định lâu dài - Nguồn cấp: 220V - CPU: Arduino Uno R3, Cortex A8 ARM - Đầu vào: T0, RH, Camera, encoder - Đầu ra: PWM Module Camera: - Resolution: 1296 x 964 - Frame Rate: 18 FPS - Megapixels: 1.3 MP - Chroma: Color - Sensor Name: Sony ICX445 - Sensor Type: CCD - Readout Method: Global shutter - Sensor Format: 1/3" - Pixel Size: 3.75 µm - Lens Mount: CS-mount - Rotation: 1800 Dự kiến số lượng Dạng II: Nguyên lý ứng dụng; Phương pháp; Tiêu chuẩn; Quy phạm; Phần mềm máy tính; Bản vẽ thiết kế; Quy trình cơng nghệ; Sơ đồ, đồ; Số liệu, Cơ sở liệu; Báo cáo phân tích; Tài liệu dự báo (phương pháp, quy trình, mơ hình, ); Đề án, qui hoạch; Luận chứng kinh tế-kỹ thuật, Báo cáo nghiên cứu khả thi sản phẩm khác TT Tên sản phẩm Phần mềm máy tính Số lượng Yêu cầu khoa học cần đạt Ghi - Giao diện hiển thị có độ tương phản cao, rõ ràng - Phần mềm dễ dàng sử dụng, rõ ràng, giao diện đẹp - Dữ liệu truyền đảm bảo nhanh xác - Điều khiển hiển thị xác thơng số Robot - Khả thay đổi linh động cho nhiều ứng dụng khác Sơ đồ Sơ đồ nguyên lý: Sơ đồ tổng quan thành phần, khối hệ thống; Sơ đồ chi tiết khối, mạch kết nối, liên kết khối, sơ đồ dây chi tiết hệ thống đầy đủ xác Dạng III: Bài báo; TT Tên báo dự kiến EFFICIENT DEEP LEARNINGBASED NETWORK FOR CRACK DETECTION IN PIPELINE SYSTEMS Nơi công bố (IUH, ISI, SCOPUS) SCOPUS Ghi Ghi chú: - Các ấn phẩm khoa học (bài báo, báo cáo KH, sách chuyên khảo…) chấp nhận có ghi nhận địa cảm ơn trường ĐH Cơng Nghiệp Tp HCM cấp kính phí thực nghiên cứu theo quy định - Các ấn phẩm (bản photo) đính kèm phần phụ lục minh chứng cuối báo cáo (đối với ấn phẩm sách, giáo trình cần có photo trang bìa, trang trang cuối kèm thông tin định số hiệu xuất bản) 3.2 Kết đào tạo TT Họ tên Thời gian thực đề tài Nghiên cứu sinh Tên đề tài Tên chuyên đề NCS Tên luận văn Cao học Đã bảo vệ Học viên cao học Sinh viên Đại học Ghi chú: - Kèm photo trang bìa chuyên đề nghiên cứu sinh/ luận văn/ khóa luận bằng/giấy chứng nhận nghiên cứu sinh/thạc sỹ học viên bảo vệ thành công luận án/ luận văn;( thể phần cuối báo cáo khoa học) IV Tình hình sử dụng kinh phí TT A B Nội dung chi Chi phí trực tiếp Th khốn chun mơn Ngun, nhiên vật liệu, con… Thiết bị, dụng cụ Cơng tác phí Dịch vụ thuê Hội nghị, hội thảo, thù lao nghiệm thu kỳ In ấn, Văn phòng phẩm Chi phí khác Chi phí gián tiếp Quản lý phí Chi phí điện, nước Tổng số Kinh phí duyệt (triệu đồng) Kinh phí thực (triệu đồng) 36.5 36.5 49 49 4.5 4.5 90 90 Ghi  sγ sα   −cγ sα  ;n w nw1 = nw =    cα   π  π    γ α + γ α − s s s c       6            π π    = − γ α + = = γ α − nw5 = c s N N c c ; w3 w6                  π  π   − α + α − s s         6  6      (12) Mỗi điểm tiếp bánh xe tương ứng, có (13) nwi oi ki = , i = 1, , Khi mơ men dẫn hướng chuyển động quay robot đường ống cong vectơ vng góc với mặt phẳng hình thành điểm tiếp xúc, gốc tọa độ hệ thống tham chiếu trung tâm bánh xe cho lsγ − R1cγ c (α + 1200 ) − yr  ls γ R c γ c α y − −  r      nr1 = lcγ − R1sγ cα − xr ; nr = lcγ − R1sγ c (α + 120 ) − xr  ;       0     lsγ − R1cγ c (α + 2400 ) − yr    nr =lcγ − R1sγ c (α + 240 ) − xr  ;       Véc tơ nri vng góc với véc tơ oki , có: (14) nri oki = , i = 1, , (15) Thông qua tính tốn phương trình trên, rút mơ hình vị trí hướng robot suốt trình chuyển động Dựa sở tốn học mơ tả trên, tọa độ tâm bánh xe được tìm thấy 1.3.3 Cơ sở tốn học phân tích tốc độ bánh xe Hình 9: Sơ đồ lái Chúng lấy bánh xe đối tượng phân tích Khi bánh xe dẫn đường tự điều chỉnh xoay, di chuyển theo trục x Ngoài ra, bánh xe thực chuyển động xoắn ốc tồn góc lái bánh xe Góc lái β thể hình 11 11 Giả sử bánh xe robot không trượt chuyển động không xuất rơto động khơng khóa, vận tốc tâm bánh xe O1 với: vo1 = ω1rp cos β1 Trong đó, (16) ω1 vận tốc góc bánh xe 1, với vận tốc quay động Góc lái tìm thấy sau: cos β1 = Trong ex1 véc tơ đơn vị trục x [ nw1o1k1ex ] nw1 o1k1 (17) Do vận tốc góc lái năm bánh xe cịn lại tính tốn tương tự 1.4 Tính tốn chọn lựa cấu truyền động cho robot Mục tiêu cụ thể phần phải tính tốn chọn lựa kích thước robot bao gồm cấu camera cho robot di chuyển đường ống có kích thước D = 300mm÷20mm, di chuyển theo phương ngang, đứng, cua góc ÷ 900 (Đường kính ống cong 1.5D lần đường ống thẳng) Để tính tốn chọn lựa kích thước robot phân trường sau: 1.4.1 Trường hợp Robot đường ống thẳng Để tính tốn kích thước Robot trước hết đưa định nghĩa hình 12: - Đoạn cong ống cong theo mặt phẳng trùng với bánh xe - Đối ngẫu qua thân robot D R d L1 L2 m r b n Hình 10: Mơ tả mối quan hệ đường ơng Robot : Đường kính ống : Bán kính cong ống : Chiều dài thân robot : Chiều dài giằng dài : Chiều dài giằng ngắn (có ty phuộc để tạo lực ép sát) : Đường kính thân robot : Bán kính bánh xe : Khoảng cách thành ống với vệt bánh xe : Là độ rộng hai bánh xe, a, b α xác định hình 13(a) 12 (a) (b) Hình 11: Mơ tả mối quan hệ chuyển động Robot đường ống cong góc 900 Dễ nhận thấy điều kiện (2) ống thẳng chưa có liên hệ với kích thước d (chiều dài phần thân ống) Như kích thước d định liệu robot có qua đoạn cong hay khơng, Giả sử chiều dài d chọn gây tình trạng kẹt robot hình 14 13 Hình 12: Mơ tả tình trạng Robot bị kẹt đoạn ống cong 900 Như chiều dài d phải chọn cho giằng L1 không bị kẹt qua đoạn cong, Giả sử chiều dài d chọn gây tình trạng kẹt robot hình Hình 13: Mơ tả tình trạng Robot không bị kẹt đoạn ống cong 900 Như chiều dài d phải chọn cho giằng L1 không bị kẹt qua đoạn cong Để robot qua đoạn cong khơng bị kẹt điều kiện là: Hay (18) (19) Ngồi ta có: 14 Suy ra: (20) Ta khử biến L3 (20) Để bất đẳng thức (20) thõa mãn ta chọn kích thước thông số robot cho (19) Hay (21) 1.4.2 Trường hợp Robot đường ống cong Từ điều kiện (20) ta chọn thông số Robot sau: STT Tên Thông Số Robot Chiều dài giằng dài Chiều dài giằng ngắn (có ty phuộc để tạo lực ép sát) Bán kính bánh xe Đường kính than Robot Khoảng cách hai bánh xe Đường kính ống Bán kính cong ống Kích thước (cm) 19 5,5 7,5 30 22,5 Bảng 1: Thơng số kích thước Robot 1.4.3 Chọn tải động Vận tốc xe lớn Vmax = 214 mm/s = 0,214 m/s Chọn thời gian tăng tốc Ttt= 0, m/s V 0.214 Gia tốc: a = max = = 2,14 (m/s2) 0.1 Ttt Tổng khối lượng máy mmax = 8kg = 80N   Để xe robot chuyển thẳng nhanh dần Fqt > P => Fqt = ma > P (22) (23)  80.2, 14= 171, (N) > 80 (N) Hệ số ma sát trượt thép kim loại với nhựa 0,3 đến 0,6 hệ số ma tĩnh thép nhựa 0,6 đến 0,9 15 Chọn hệ số ma sát µ = 0, Do máy chạy ống nhờ bánh xe nên ta chọn hệ số ma sát lăn µ=0,05 ( chọn nhỏ 10 lần so với hệ số ma sát tĩnh) Lực để xe chuyển động áp lực lên thành ống phải lớn lực trọng trường P = mg = 80 N (24) Fms = 0,05.P= 0,05.8.10 = 164 (N) Để xe chạy lên ta có (25) Fqt > Fms + N + P => 171,2 (N)> 0,05.8.10 + 80 + 80 = 164 (N) (thoả điều kiện) (26) Mỗi động chạy Fqt = 171, =28,5 (N) Chọn tải động 3kg 1.4.4 Tính động chuyển động Tải m = 3kg Vận tốc v = 214 mm/s = 0,214 m/s Thời gian tăng tốc Ttt = 0,1s V 0, 214 Gia tốc a = max = =2,14 m/s2 0,1 Ttt Chọn gia tốc trọng trường g = 10m/s2 Khi chuyển động đều: Fx = mg.0,05 = 3.10.0,05 =1,5 (N) Khi tăng tốc: Fa = ma= 3.2,14= 6,42 (N) M n 2.3,14 37,959.63.2.3,14 = 250,3 (W) P= A max = 60 60 Trong MA = Mtải +Mtt +Mkđ = 7,16 + 30,668 +0,131= 37,959 (N.m) F P 1,5.30 = = 7,16 (N.m) Mtải = x 2.3,14 2.3,14 F P 6, 42.30 Moment tăng tốc Mtt = a =30,668 (N.m) = 2.3,14 2.3,14 2.3,14.nmax a.2 2.3,14.63.2,14.2 Moment khởi động Mkđ = =0,131 N.m = Vmax 60 214.60 Công thức quy đổi chọn động 9,55.P 9,55.250,3.100 M= =379,4 (N.cm) = 37,94 (kg.cm) .100 = nmax 63 Chọn động LX44WG 1:92 Nguồn DC 12v Tốc độ khơng tải 90prm, có tải 70prm Dịng khơng tải 1A, có tải 4,4A Lực kéo 50 kg.cm (27) (28) (29) (30) (31) (32) (33) (34) (35) 1.4.5 Chọn lò xo 16 Ứng suất làm lò xo σb = 1500 ~1700 Mpa => chọn σb = 1600 Mpa Lực tác dụng lên đầu lò xo F = 2kg = 20N Chọn lị xo có đường kính ngồi D=16,5 (mm) Chọn lị xo có đường kính d=10,5 (mm) Đường kính danh nghĩa ddn=13 (mm) Tiết diện dây s = 3(mm) Chiều dài dây L = 60 (mm) Chiều dài ngắn bị nén l = 15 (mm) Lực nén F.L = 6.39=912 (N) Dưới tác dụng lực F, dây lò xo bị xoắn moment xoắn: D.F 13.10−3.20 =0,13 (N.mm) T= = 2 Moment chóng xoắn tiết diện dây lò xo Wo π d π 3.10−3 = 5,3.10-9 (N.m) = Wo = 16 Tính độ cứng lị xo theo cơng thức: F = K ΔL F 39 K= = 866 = ∆L (60 − 15).10−3 Ứng suất xoắn lên dây lò xo k F d 16 866.20.13.10−3 = τx = =538 (Mpa) 2π s 2π (3.10−3 )3 Ứng suất cho phép : [τ x ]=(0,4 ~0,5).σ b =0,4.1600 = 640 Mpa = τ 538Mpa = < τ x 640 Mpa => thỏa điều kiện Số vòng dây làm việc : (λmax − λmin ).G.S (45 − 0).9,807.3 = n= = 19,6 8.c3 ( Fmax − Fmin) 8.0, 753 (20 − 0) => chọn 20 với λmax : chuyển vị lớn (37) (38) (39) 40) (41) 42) (43) λmin : chuyện vị nhỏ Fmax: lực lớn tác dụng lên lò xo Fmin: lực nhỏ tác dụng lên lò xo 17 1.5 Chọn lựa giải pháp điều khiển cho robot 1.5.1 Sơ đồ khối tổng quan giải pháp điều khiển Robot Sơ đồ quan hệ thống điều khiển robot thể qua sơ đồ khối sau: Hình 14: Sơ đồ khối tổng quan hệ thống điều khiển robot Hình 15: Sơ đồ khối tổng quan phần cứng sử dụng điều khiển Robot 18 1.5.2 Đặc tính kỹ thuật thiết bị sử dụng hệ thống điều khiển robot Raspberry Pi 3b+ Số lượng: Raspberry Pi 3b+ đóng vai trị máy tính thứ hai, lắp ráp robot để xử lý tín hiệu, đưa video máy tính chủ qua wifi Tên thơng số Nguồn hoạt động Mở rộng Vi xử lý RAM Kết nối Cổng USB Video âm Lưu trữ Thông số kỹ thuật - 5V/2.5A DC cổng microUSB - 5V DC chân GPIO - Power over Ethernet (PoE) 40-pin GPIO Broadcom BCM2837B0, quad-core A53 (ARMv8) 64-bit SoC @1.4GHz 1GB LPDDR2 SDRAM - 2.4GHz and 5GHz IEEE 802.11 b/g/n/ac wireless LAN - Bluetooth 4.2 - BLE - Gigabit Ethernet over USB 2.0 (Tối đa 300Mbps) x 2.0 - cổng full-sized HDMI - Cổng MIPI DSI Display - cổng MIPI CSI Camera - cổng stereo output - composite video chân MicroSD Bảng 2: Thông số kỹ thuật Raspberry Pi 3b+ 19 Node MCU ESP8266 Số lượng: NodeMCU module thu phát wifi Đề tài sử dụng hai module Node MCU Một module lắp robot để đọc gửi giá trị cảm biến máy tính chủ, module cịn lại lắp tủ điều khiển, lấy lệnh điều khiển từ máy chủ để gửi cho Arduino qua wifi Tên thông số Thông số kỹ thuật Nguồn hoạt động 5VDC MicroUSB Vin GIPO giao tiếp mức 3.3VDC WiFi 2.4 GHz hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n IC ESP8266 Wifi SoC Bộ nhớ Flash 4MB Phiên firmware NodeMCU Lua Chip nạp CP2102 Giao tiếp Cable Micro USB Tích hợp giao thức TCP/IP GPIO tương thích hồn tồn với firmware Node MCU Bảng 3: Thông số kỹ thuật Node MCU ESP8266 Cảm biến AM2315 Số lượng: AM2315 cảm biến lắp robot để đọc nhiệt độ, độ ẩm Tên thông số Thông số Điện áp hoạt động 3.5 ~ 5.5V Dòng điện tối đa sử dụng 10mA Nhiệt độ -20 ~ 80 độC sai số 0.1độC Địa I2C 05C dây tín hiệu dài 20 inch Đọc độ ẩm từ 0-100% sai số 2% Bảng 4: Thông số kỹ thuật Cảm biến AM2315 20 Mạch cầu H – L298 Số lượng: L298 mạch điều khiển động DC tích hợp diod bảo vệ Tên thông số Thông số kỹ thuật Điện áp hoạt động 5~30VDC Mức điện áp logic Low -0.3V~1.5V, High: 2.3V~Vss Dòng tối đa cho cầu H 2A Công suất tối đa 25W cầu IC L298 - Dual Full Bridge Driver Nhiệt độ bảo quản -25°C ~ +130 Số cổng điều khiển cổng Bảng 5: Thông số kỹ thuật Mạch cầu H – L298 Router Tplink 841n Số lượng: Router dùng để phát wifi chính, giúp kết nối thiết bị với nhau, có khả bảo mật Tên thông số Nguồn hoạt động Ports Ăng ten Chuẩn Wi-Fi Băng tần Tốc độ tín hiệu Độ nhạy Thông số kỹ thuật 9VDC / 0.6A - x cổng LAN 10/100Mbps - x cổng WAN 10/100Mbps x ăng ten đẳng hướng cố định IEEE 802.11n, IEEE 802.11g, IEEE 802.11b 2.412~2.472GHz - 11n: Lên đến 300Mbps(động) - 11g: Lên đến 54Mbps(động) - 11b: Lên đến 11Mbps(động) - 270M: -70dBm@10% PER - 130M: -74dBm@10% PER - 108M: -74dBm@10% PER - 54M: -77dBm@10% PER - 11M: -87dBm@8% PER - 6M: -90dBm@10% PER 21 Tính Wi-Fi Bảo mật Wi-Fi Dạng WAN Quản lý DHCP Dynamic DNS Mạng khách Môi trường Arduino UNO R3 - 1M: -98dBm@8% PER Mở/Tắt sóng Wi-Fi, WMM, thống kê Wi-Fi WEP, WPA/WPA2, WPA-PSK/WPA2-PSK IP động/IP tĩnh/PPPoE/ PPTP/L2TP/BigPond - Kiểm soát truy cập - Quản lý nội - Quản lý từ xa Máy chủ, Danh sách máy khách DHCP, Dành riêng địa DynDns, Comexe, NO-IP x mạng khách 2.4GHz - Nhiệt độ hoạt động: 0℃~40℃ - Nhiệt độ lưu trữ: -40℃~70℃ - Độ ẩm hoạt động: 10%~90% không ngưng tụ - Độ ẩm lưu trữ: 5%~90% không ngưng tụ Bảng 6: Thông số kỹ thuật Router Tplink 841n Số lượng: Arduino UNO R3 lắp tủ điều khiển, nhận tín hiệu điều khiển từ máy tính chủ thơng qua Node MCU, từ điều khiển động robot Tên thông số Thông số kỹ thuật Điện áp đầu vào khuyên dùng 7VDC - 12VDC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC Dòng chân digital Max 40 mA Dòng chân 5V 500 mA Dòng chân 3.3V 50 mA Số chân Analog Số chân Digital 14 ( chân PWM) Chip điều khiển ATmega328P Dung lượng nhớ Flash 32 KB (ATmega328P) SRAM KB (ATmega328P) EEPROM KB (ATmega328P) Tốc độ 16 MHz Chân PWM (~) 3, 5, 6, 9, 10, 11 Chip nạp giao tiếp UART ATmega16U2 Bảng 7: Thông số kỹ thuật Arduino UNO R3 22 Mạch điều khiển động TB6600 Số lượng: Mạch Điều Khiển Động Cơ Bước TB6600 sử dụng IC TB6600HQ/HG Tên thông số Thông số kỹ thuật Nguồn đầu vào: 9V – 42V Dòng cấp tối đa: 4A Độ phân giải: 1/1, ẵ, ẳ, 1/8, 1/16, 1/32 step Cú th iu khiển đảo chiều quay Tích hợp chân Reset Enable Tích hợp tính Standby Tích hợp bảo vệ nhiệt TSD Ngõ vào có cách ly quang, tốc độ cao Có tích hợp đo q dịng q áp Bảng 8: Thông số kỹ thuật Mạch điều khiển động TB6600 Mạch Điều Khiển Động Cơ Bước DRV8825 Số lượng: Driver động bước DRV8825 với đầy đủ tính mơt driver chun nghiệp : điều chỉnh dòng giới hạn, vi bước ( 1/32 bước) ,bảo vệ q dịng, q nhiệt,v.v Tên thơng số Thơng số kỹ thuật Điện áp cung cấp 8.2~45VDC Dòng trung bình 1.5A Độ phân giải full, half step, ¼ step, 1/8 step, 1/16 step, 1/32 step Điện áp điều khiển 3.3V 5V Dòng đỉnh ( Peak) lên đến 2.5A Tự động shutdown nhiệt, dòng Bảo vệ ngắn mạch bảo vệ tải Mạch lớp,2 lớp phủ đồng giúp cải thiện khả tản nhiệt Có thể thay tốt cho Driver A4988 máy in 3D Bảng 9: Thông số kỹ thuật Mạch Điều Khiển Động Cơ Bước DRV8825 23 Bộ nguồn xung ổn áp S8VM-30024C Số lượng: Cung cấp nguồn xung ổn áp cho thiết bị Tên thông số Hiệu suất làm việc Dịng rị Thơng số kỹ thuật 81% tối thiểu - 0.4 mA max (vào 100VAC) - 0.75 mA max (vào 200VAC) ngõ định mức Khoảng điều chỉnh điện áp −20% to 20% (V ADJ) Chức bảo vệ tải 105% ~ 160% dòng tải định mức Nhiệt độ làm việc −25 to 65°C Nguồn cấp 100~240VAC (85~264VAC) 50/60Hz Điện áp ngỏ loại 5,12, 15, 24VDC ±10%, thị dòng áp ngỏ Nhiều cấp công suất dể lựa chọn 15, 30, 50, 100, 150, 300, 600, 1.500W Bảo vệ dòng, ngắn mạch, áp, thấp áp, tự động khởi động lại Đèn báo thị trạng thái ngỏ màu xanh Chức báo động sai điện áp Bảng 10: Thông số kỹ thuật Bộ nguồn xung ổn áp S8VM-30024C 10 Động bước trục vitme: NEMA 17 42 Số lượng: Động bước trục vitme NEMA 17 42 dùng cấu rải dây trình robot di chuyển Tên thông số Thông số kỹ thuật Cường độ định mức 1.5A Mô men giữ 0.55 Nm Góc quay bước 1.8° Khối lượng 400g Tương thích với đầu động bước mạch RAMPS 1.5 CNC shield V3 Ít tỏa nhiệt, chuyển động êm Bảng 11: Thông số kỹ thuật Động bước trục vitme: NEMA 17 42 24 11 Động bước giảm tốc: 667oz-in NEMA-17 Bipolar Số lượng: Động bước giảm tốc 667ozin NEMA-17 Bipolar dùng cấu quấn dây q trình robot di chuyển Tên thơng số Thơng số` Dịng chịu tải 1.7A Góc bước 1.8˚ Moment xoắn giữ 73N.cm Moment xoắn hãm 3N.cm Khối lượng 480g Bảng 12: Thông số kỹ thuật Động bước giảm tốc: 667oz-in NEMA-17 Bipolar 12 Động dc giảm tốc: 5840-31ZY Số lượng: Động dc giảm tốc 5840-31ZY dùng để điều khiển robot di chuyển đường ống Tên thông số Thông số kỹ thuật Điện áp hoạt động 24VDC Tốc độ 16rpm (không tải) Sai số ±5% Bảng 13: Thông số kỹ thuật Động dc giảm tốc: 5840-31ZY 13 Camera USB 2.0 Số lượng: Camera gắn thân robot làm nhiệm vụ thu thập hình ảnh bên đường ống gửi giao diện máy tính Tên thơng số Cổng giao tiếp Cảm biến thu nhận ảnh Công nghệ hỗ trợ cảm biến Độ phân giải Kích thước Chuẩn bảo vệ Thơng số USB 2.0 tương thích USB 1.1 CMOS sensor -200w with 110 dB high dynamic range - Back-focus-adjustment - Automatic gain control (AGC) - Automatic exposure control (AEC) Mpixels (w x h x l): 38.8 x 38.8 x 35 mm class IP40 Bảng 14: Thông số kỹ thuật CamERA USB 2.0 25 ... ? ?Thiết kế, chế tạo thiết bị thăm dò, kiểm tra đường ống có đường kính 300mm? ?? Theo khảo sát thực địa tài liệu kỹ thuật loại đường ống nhà máy cung cấp cho nhóm nghiên cứu cho thấy đường kính ống. .. QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌCCẤP TRƯỜNG Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo thiết bị thăm dò, kiểm tra đường ống có đường kính 300 mm Mã số đề tài: 192.Đ01 Chủ nhiệm đề tài: ThS Nguyễn Hoanh... động hệ thống thiết bị hữu với chất lượng sản phẩm ổn định, giá thành thấp Do đó, nhóm nghiên cứu đề xuất phát triển đề tài ? ?Thiết kế, chế tạo robot thăm dị, kiểm tra đường ống có đường kính 300