Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot giám sát đường ống nước thải

iv TÓM TẮT Robot giám sát đưng ống thoát nưc, là một trong những khái nim mi về robot dch v, có nhim v phát hin ra các vt nứt, các hư hỏng hay những chưng ngi vt của đưng ống làm cho đưng ống thoát nưc b rò r, b vỡ hay tràn ống. Đặc điểm của robot là có thể thay th sức lao động của con ngưi trong các điều kin làm vic khc nghit hoặc nguy hiểm, ni mƠ con ngưi không thể làm vic hoặc nh hưởng đn sức khỏe. Bên cnh đó, h thống thoát nưc của Vit Nam, đưng ống thoát nưc có đưng kính từ 0,2 ÷ hn 0,8m. Gii quyt nhu cu đó, trong lun văn này gii thiu phn thit k mô hình robot giám sát đưng ống thoát nưc. Để thực hin tốt nhim v đề ra, ngưi nghiên cứu phơn tích môi trưng thực t, đề xut phưng án di chuyển của robot trong đưng ống thoát nưc vƠ phưng pháp giám sát để ghi nhn đưc những hình nh rõ nét bên trong đưng ống. Ngoài ra, lun văn còn đề cp đn cách giao tip để điều khiển robot di chuyển trong đưng ống thoát nưc. Cuối cùng, ngưi nghiên cứu đánh giá mc tiêu thông qua thực nghim nhiều ln trong phòng thí nghim và c trong môi trưng thực t. v ABSTRACT Supervising-sawage-line robot is one of the new concept of professional service robots whose function is to find out the 'pit of death' caused by the leak(s) or break(s) of the sewage lines underground. It can take over the work of workers in the severe or dangerous working condition, where people can’t work or their health may be affected seriously. Besides, the diameters of the drainage pipes in our drainage system is too small (only ranged from 0.2 to 0.8 meter). To solve this problem, in this article, our main task is to introduce the design of the model of supervising-sawage-line robot. To accomplish the tasks, we have analysed the real environment and propose the way to move the robot in the sawage lines and how to record the images inside the pipe clearly. In addition, we also mention the way to operate the robot to move along the pipe. Finally, we will evaluate the result through both experimental and practical proccess. vi MC LC TRANG LÍ LCH KHOA HC i LI CAM ĐOAN ii LI CM N ii TÓM TT iv ABSTRACT .v MC LC vi DANH SÁCH CÁC HÌNH V ix DANH SÁCH CÁC BNG xi Chưng 1: TỒNG QUAN 1 1.1. Đặt vn đề 1 1.2. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu 2 1.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nưc .3 1.2.2. Tình hình nghiên cứu ngoƠi nưc .5 1.2.3. ụ nghĩa khoa hc và thực tin 7 1.3. Mc tiêu và nhim v của đề tài 7 1.3.1. Mc tiêu của đề tài 7 1.3.2. Nhim v của đề tài 9 1.4. Đối tưng và phm vi nghiên cứu 9 1.5 Phưng pháp nghiên cứu 10 1.6 Thi gian thực hin đề tài 11 Chưng 2: THIẾT KẾ KẾT CẤU C KHệ 12 2.1. Lý thuyt về quá trình thit k máy và chi tit máy 12 2.2. Hin trng công tác giám sát h thống thoát nưc đô th 13 2.2.1. Ti các đô th nưc ngoài. .13 2.2.2. Ti các đô th trong nưc 13 2.3. Phân tích và lựa chn phưng án thit k 15 2.3.1. Ch độ làm vic của robotầầầầầầầầầầầầầầầầầầ.15 vii 2.3.2. Nguyên lý hot động ầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầ16 2.3.3. Phưng án đề xut cho robot giám sát đưng ống nưc thi ầầầầ 17 2.4. Bộ phn thân ậ khung 20 2.5. Bộ phn di chuyển 21 2.5.1. Tính toán chn công sut động c cho bộ phn di chuyển robot 24 2.5.2. Thit k bộ truyền động bánh răng 28 2.5.3. Thit k bộ truyền động xích 28 2.5.4. Thit k trc dẫn động 29 2.6. Bộ phn giám sát 31 2.6.1. Thit k hộp bo v camera chống thm 32 2.6.2. Thit k c cu chnh hưng camera 33 Chưng 3: TệNH TOÁN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG 35 3.1. Nhim v vƠ phưng pháp phơn tích động lực hc robot 35 3.2. Phưng trình động lực hc robot 35 3.3. Tính toán bộ truyền bánh răng 38 3.4. Tính toán bộ truyền xích 42 Chưng 4: THIẾT KẾ ĐIỆN VÀ ĐIỀU KHIỂN 47 4.1. Nguồn đin 47 4.2. Mch đin 47 4.3. Thit k hộp điều khiển vƠ panel điều khiển cho robot giám sát 48 4.4. Thit k gii thut điều khiển robot 47 4.4.1. Điều khiển robot 49 4.4.2. Điều khiển chuyển động của Robot 49 4.4.3. Điều khiển h thống PAL-TILT camera 52 4.4.4. Điều khiển nâng ậ h camera 53 4.5. Phn thu thp tín hiu từ Video 53 4.6. S đồ nguyên lý các mch đin 54 4.6.1. Mch đin điều khiển Camera 55 4.6.2. Mch đin điều khiển động c di chuyển 56 4.6.3. Mch đin điều khiển tốc độ động c 54 viii Chưng 5: THỰC NGHIỆM 57 5.1. Mc đích thực nghim 57 5.2. Thực nghim 58 5.2.1. Về kích thưc 57 5.2.2. Về công sut động c. 59 5.2.3. Về tốc độ robot. 59 5.2.4. Về điều khiển robot ầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầ 61 5.3. Kt qu thực nghim .61 Chưng 6: KẾT LUẬN 68 6.1. Kt lun .68 6.2. Hưng phát triển 69 TÀI LIU THAM KHO 71 ix DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1. Hình nh các con đưng trong thành phố sau cn mưa 1 Hình 1.2: Robot kho sát của cty cp thoát nưc tp. Hồ Chí Minh 3 Hình 1.3: Cm ti no vét cống ngm 4 Hình 1.4: Mô hình thực t của robot v sinh vƠ giám sát đưng ống nưc thi 5 Hình 1.5: Robot tự động KURT 6 Hình 1.6: Robot đa cm bin trong đưng cống, KARO 6 Hình 1.7: Robot tự động trong đưng ống, MAKRO 7 Hình 1.8: Thể hin trình tự v sinh cống của một nhóm công nhân 8 Hình 2.1: Hình nh bao cát đưc móc lên từ lòng cống ở đưng Tân Kỳ - Tân Quí 14 Hình 2.2: Kiểm tra đưng ống thoát nưc ti v trí hố ga vi đưng kính ống 300mm 14 Hình 2.3: Bùn vƠ đá bên trong đưng ống nưc thi 500mm 14 Hình 2.4: Bùn cao bằng mặt nưc bên trong đưng ống nưc thi 600mm. 15 Hình 2.5: Hình nh các ống cống có đưng kính khác nhau 16 Hình 2.6: H thống truyền động của robot. 18 Hình 2.7: Mô hình lp ghép hoàn chnh 3D của robot 19 Hình 2.8: Robot giám sát ở các góc nhìn khác nhau 20 Hình 2.9: Mô hình 3D phn thân của robot 20 Hình 2.10: Lp các trc chuyển động, bánh xe vào robot. 22 Hình 2.11: Hình v các loi gai của bánh xe 23 Hình 2.12: Kt cu trc dẫn động 29 Hình 2.13: Hộp bo v Camera 32 Hình 2.14: H thống chnh hưng camera 33 Hình 4.1: Kt nối tủ điều khiển và Robot 48 Hình 4.2 : Panel điều khiển robot 300 49 Hình 4.3: S đồ khối điều khiển Robot 49 Hình 4.4: Điều khiển tốc độ robot 50 Hình 4.5: Gii thut điều khiển chuyển động của robot 51 Hình 4.7: Gii thut điều khiển h thống PAL-TILT camera 52 x Hình 4.8 : Gii thut điều khiển c cu hình bình hành nâng ậ h camera 53 Hình 4.9: Mch điều khiển Camera 54 Hình 4.10: Mch điều khiển động c 55 Hình 4.11: Mch đin điều khiển tốc độ động c 56 Hình 5.1: Mô hình thực t robot giám sát đưng ống nưc thi 58 Hình 5.2: Robot di chuyển vi độ dốc 30 0 59 Hình 5.3: Các môi trưng thực nghim 60 Hình 5.4: Hình nh ở ln thử nghim I 61 Hình 5.5: Hình nh ở ln thử nghim II 62 Hình 5.6: Hình nh thu đưc từ camera trong ln thử nghim thứ III 62 Hình 5.7: Hình nh ở ln thử nghim IV 63 Hình 5.8: Hình nh ở ln thử nghim V 63 Hình 5.9: Biểu đồ thể hin mối quan h giữa tổng lực cn vi vn tốc vƠ môi trưng thực nghim 65 Hình 5.10: Máy đo cưng độ ánh sáng ầầầầầầầầầầầầầầầầầầ66 Hình 5.11: Biểu đồ thể hin mối quan h giữa khong cách camera quan sát rõ nht vi cưng độ ánh sáng và góc mở camera 66 Hình 5.12: Hình nh các v trí khác nhau bên trong đưng ống thu đưc từ camera 67 xi DANH SÁCH CÁC BNG Bng 1: Phân công công vic c thể từng thành viên 10 Bng 2: So sánh các loi hình truyền động 18 Bng 3: Các góc quan sát của camera 32 Bng 4. Đặc tính c khí của robot giám sát đưng ống nưc thi 34 Bng 5: Chiều cao của robot phù hp vi kích thưc đưng ống 58 Bng 6: Tổng lực cn của robot ứng vi vn tốc trong từng môi trưng 64 1 Chưng 1 TNG QUAN 1.1. Đặt vn đ: Hiện nay, tình hình đô thị hóa đang diễn ra nhanh, kênh rạch và các vùng trũng bị san lấp dành cho xây dựng đô thị, việc quy hoạch về tiêu thoát nớc không theo kịp với tốc độ phát triển ca thành phố, nhiều tuyến đng trong thành phố luôn bị ngập lụt sau những cơn ma do hệ thống thoát nớc không thoát nớc kịp với nhiều nguyên nhân: cũ, xuống cấp, nhiều rác thải, … đợc minh họa trong hình 1.1 [1]. Hình 1.1. Hình ảnh các con đường trong thành phố sau cơn mưa. Ngoài ra còn một vấn đề về hệ thống tiêu thoát nớc rất nghiêm trọng đang xảy ra là c thỉnh thoảng trên các tuyến đng tại thành phố Hồ Chí Minh lại có hiện tợng „hố tử thần‟ do các đng ống thoát nớc gây ra. Vì vậy vấn đề hệ thống thoát nớc đang là bài toán bc xúc và nan giải ca thành phố. Hiện tại để giải quyết vấn đề ngập úng, ngoài các biện pháp vĩ mô lâu dài thì lúc nào thành phố cũng phải cho các đội vệ sinh đng ống đến các nơi bị ngập, để làm sạch đng ống bị tắc. Tuy nhiên, đối với loại ống có đng kính từ 0,2 đến 0,8m thì công nhân không thể chui lọt, do đó gây rất nhiều khó khăn cho việc làm sạch ống. Ngoài ra, môi trng cống rất ô nhiễm, độc hại, nh Báo Tuổi Trẻ ngày 30/05/2012 đư đa tin công nhân nạo vét cống trúng khí độc khi đang làm việc. Còn để tìm ra các vết nt, các h hỏng hay những chớng ngại vật ca đng 2 ống làm cho đng ống thoát nớc bị rò rỉ, bị vỡ hay tràn ống, ta phải dùng những con robot đợc nhập về từ nớc ngoài để giám sát đng ống, kiểm tra xem những lỗi  vị trí nào trong đng ống để tiến hành sửa chữa đng ống. Đây là động lực cơ bản để ngi nghiên cu chọn hớng nghiên cu, thiết kế một robot có thể di chuyển dới hệ thống cống rưnh, có khả năng giám sát và truyền hình ảnh về trung tâm điều khiển. Một số khái niệm liên quan đến đề tài : - Robot là một hệ thống thiết bị tự động thực hiện nhiệm vụ bằng sự điều khiển ca máy tính hoặc các vi mạch điện tử đợc lập trình, … bao gồm robot công nghiệp và robot dịch vụ. Robot công nghiệp là một hệ thống tự động kiểm soát, lập trình, đa chc năng, điều khiển lập trình trong ba hoặc nhiều trục, có thể đợc đặt cố dịnh hay di động để sử dụng trong các ng dụng tự động hóa công nghiệp. Robot dịch vụ là robot hoạt động bán tự động hoặc hoàn toàn tự động để thực hiện dịch vụ hữu ích cho phúc lợi ca con ngi và thiết bị, không bao gồm hoạt động sản xuất [2]. Robot giám sát đng ống nớc thải là loại robot dịch vụ. - Giám sát đợc định nghĩa là một chc năng đợc thực hiện một cách liên tục giúp ta theo dõi những thành quả (hình ảnh) thông qua việc thng xuyên thu thập thông tin để kịp thi hỗ trợ việc ra quyết định. - Hệ thống thoát nớc ca nớc ta đợc phân biệt nh sau: hệ thống thoát nớc chung là hệ thống mà tất cả các loại nớc thải (sinh hoạt, sản xuất, nớc ma) đợc xả chung vào một mạng lới và dẫn đến công trình làm sạch và hệ thống thoát nớc riêng là hệ thống có hai hay nhiều hệ thống cống riêng biệt nh là một dùng để vận chuyển nớc bẩn nhiều (nớc sinh hoạt, sản xuất), một là vận chuyển nớc ít bẩn hơn (nớc ma)[3]. 1.2. Tng quan chung v lĩnh vc nghiên cứu: Hệ thống đng ống thoát nớc cũ kỹ sẽ gây ra nhiều hiện tợng nh lợng bùn, rác lắng đọng nhiều sẽ gây ngập khi có ma nhiều, đng ống có vết nt, có h hỏng gây ra vỡ đng ống, … là những vấn đề cực kỳ nan giải đối với bất c thành phố nào trên thế giới. Dù nhận thc đợc tính chất nghiêm trọng ca vụ việc, [...]... hình nghiên c u trong và ngồi n ớc đư thực hiện các vấn đề có liên quan đề tài, - Tháng 07 – 12/2011: Thực hiện các nội dung trong phần tổng quan và xác định các cơng việc cần thực hiện trong đề tài, - Tháng 01/2012: Bảo vệ và hiệu chỉnh chun đề 2, - Tháng 02/2012: Thiết kế và chế tạo bộ phận di chuyển, - Tháng 03/2012: Thiết kế và chế tạo bộ phận giám sát, - Tháng 04/2012: Thiết kế và chế tạo hệ thống... nạo vét cống ngầm Tháng 11/2011, nhóm sinh viên thuộc khoa Chất l ợng cao tr ng Đại học S phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh thực hiện đồ án tốt nghiệp với tên đề tài là Thiết kế và chế tạo Robot vệ sinh và giám sát đ d ới sự h ớng dẫn c a TS Nguyễn Tr ng Thịnh [4] Robot này có các đặc điểm sau: robot làm nhiệm vụ vệ sinh và giám sát đ đ ng cống có đ ng ống n ớc thải (hình 1.4) ng ống n ớc thải, robot làm... cống rất độc hại, kim loại dễ bị oxi hóa Hình 1.4: Mơ hình thực tế c a robot vệ sinh và giám sát đ ng ống n ớc thải Trong khoảng 10 năm nay, có nhiều nhóm nghiên c u c a các tỉnh, thành phố trong cả n ớc tham gia nghiên c u vào lĩnh vực thốt n ớc tạo ra những robot có khả năng giám sát và vệ sinh đ ng ống n ớc thải Tuy nhiên, những robot này vẫn ch a đ ợc biết đến một cách rộng rưi 1.2.2 Tình hình nghiên. .. tuyến cống ngầm, kênh m ơng thốt n ớc khơng thể nạo vét đ ợc minh họa từ hình 2.2 đến 2.4 13 Hình 2.1: Hình ảnh bao cát được móc lên từ lòng cống ở đường Tân Kỳ - Tân Q Hình 2.2: Kiểm tra đường ống thốt nước tại vị trí hố ga với đường kính ống 350mm, Hình 2.3: Bùn và đá bên trong đường ống nước thải 500mm, 14 Hình 2.4: Bùn cao bằng mặt nước bên trong đường ống nước thải 500mm 2.3 Phân tích và l a chọn... ơng án thiết kế robot giám sát đ Việt Nam, ng ống n ớc thải và chọn ph ơng án khả thi, - Thiết kế phần cơ khí, phần điện, phần điều khiển, phần thu nhận tín hiệu, phần xử lý và l u trữ dữ liệu cho robot, - Chế tạo thử nghiệm robot, tiến hành thử nghiệm nhiều lần tại phòng thí nghiệm với nhiều mơi tr ng khác nhau, đánh giá kết quả và hiệu chỉnh, - Triển khai thực nghiệm tại cơng ty, hiệu chỉnh và hồn... robot giám sát đ ng ống n ớc thải và chọn ph ơng án khả thi Thiết kế phần cơ khí Thiết kế phần điện, phần điều khiển, phần thu nhận tín hiệu, phần xử lý và l u trữ dữ liệu cho robot 5 Chế tạo thử nghiệm robot 6 Tiến hành thử nghiệm tại phòng thí nghiệm 7 Đánh giá kết quả và thử nghiệm 8 Triển khai thực nghiệm tại cơng ty, hiệu chỉnh và hồn thiện thiết kế 9 Thực hiện các cơng việc kết thúc đề tài Ng... chọn trên, hệ thống này giúp cho robot chuyển động trong ống cống đ ợc ổn định, cân bằng và v ợt qua các vật cản, rác bùn, đất đá bên trong ống cống Các chi tiết c a hệ thống truyền động này phải đ ợc chế tạo đặc biệt để đảm bảo độ bền và chịu đ ợc ăn mòn hóa chất c a n ớc thải trong đ ng ống Sau khi phân tích và lựa chọn ph ơng án thiết kế, chọn biện pháp cơng nghệ, ta tiến hành thiết kế từng chi tiết... thống thốt n ớc đ ng ống ngầm Trong đó, hầu hết là các dạng Việt Nam có đặc điểm là nhiều rác thải, các ng ống khơng đồng nhất trên một tuyến đ thể áp dụng vào hệ thống cống về giám sát hệ thống đ ng do đó những robot trên khó có n ớc ta Vì vậy để đáp ng đ ợc nhu cầu cấp thiết ng ống n ớc thải Việt Nam, đề tài này nghiên c u về việc tích hợp các năng lực khác nhau trên robot để có thể di chuyển và. .. silicon bao ph mối ghép để robot khơng bị thấm n ớc Robot di chuyển thẳng trong đ ng cống tròn, khoảng cách di chuyển tối đa là giữa hai hố ga Kích th ớc c a robot phụ thuộc vào đ chính c a robot giám sát đ ng kính cống và kích th ớc c a hố ga Nhiệm vụ ng ống n ớc thải là giám sát vì vậy robot đ ợc u cầu di chuyển chậm với tốc độ 5 km/gi Ng i nghiên c u cần tính tốn khối l ợng c a robot để làm sao thắng... vi nghiên cứu : Đối t ợng đ ợc đề cập trong đề tài là một hệ thống bao gồm bộ phận di chuyển (xe robot) và bộ phận giám sát (camera) làm cơng việc giám sát trong mơi tr ng ẩm ớt, có thể di chuyển linh hoạt xun suốt một đoạn ống thẳng, đ ợc gắn camera để ng i điều khiển có thể quan sát và kiểm tra tình trạng cống, đồng th i điều khiển robot vận hành qua một dây cáp Đề tài này chỉ nghiên c u thiết kế robot . sinh và giám sát đng ống nớc thải (hình 1.4) dới sự hớng dẫn ca TS. Nguyễn Trng Thịnh [4]. Robot này có các đặc điểm sau: robot làm nhiệm vụ vệ sinh và giám sát đng ống nớc thải, robot. quan sát và kiểm tra tình trạng cống, đồng thi điều khiển robot vận hành qua một dây cáp. Đề tài này chỉ nghiên cu thiết kế robot giám sát đng ống nớc thải di chuyển thẳng trong đng ống. đng ống để tiến hành sửa chữa đng ống. Đây là động lực cơ bản để ngi nghiên cu chọn hớng nghiên cu, thiết kế một robot có thể di chuyển dới hệ thống cống rưnh, có khả năng giám sát và