thiết kế robot khảo sát đường ống

thiết kế robot khảo sát đường ống thiết kế robot khảo sát đường ống thiết kế robot khảo sát đường ống thiết kế robot khảo sát đường ống thiết kế robot khảo sát đường ống thiết kế robot khảo sát đường ống thiết kế robot khảo sát đường ống thiết kế robot khảo sát đường ống thiết kế robot khảo sát đường ống thiết kế robot khảo sát đường ống thiết kế robot khảo sát đường ống thiết kế robot khảo sát đường ống thiết kế robot khảo sát đường ống thiết kế robot khảo sát đường ống thiết kế robot khảo sát đường ống thiết kế robot khảo sát đường ống thiết kế robot khảo sát đường ống thiết kế robot khảo sát đường ống thiết kế robot khảo sát đường ống thiết kế robot khảo sát đường ống thiết kế robot khảo sát đường ống thiết kế robot khảo sát đường ống thiết kế robot khảo sát đường ống thiết kế robot khảo sát đường ống thiết kế robot khảo sát đường ống thiết kế robot khảo sát đường ống thiết kế robot khảo sát đường ống thiết kế robot khảo sát đường ống thiết kế robot khảo sát đường ống thiết kế robot khảo sát đường ống thiết kế robot khảo sát đường ống thiết kế robot khảo sát đường ống thiết kế robot khảo sát đường ống thiết kế robot khảo sát đường ống thiết kế robot khảo sát đường ống thiết kế robot khảo sát đường ống thiết kế robot khảo sát đường ống thiết kế robot khảo sát đường ống thiết kế robot khảo sát đường ống

Đồ án Thiết kế hệ thống cơ điện tử GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tấn Tiến 1 MỤC LỤC A. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3 1. Hiện trạng đường ống hút bụi phân nhà máy phân bón Hiệp Phước 3 2. Đặt bài toán 5 3. Khảo sát các loại robot đường ống hiện nay 5 3.1. Một số đề tài nghiên cứu trên thế giới 7 3.2. Tình hình nghiên cứu ở nước ta 11 4. Kết luận 12 B. THIẾT KẾ CƠ KHÍ 13 1. Phương hướng thiết kế 13 2. Các phương án thiết kế và chọn phương án 13 2.1. Phương án 1: Cơ cấu lò xo tự điều chỉnh chân 14 2.2. Phương án 2: Dùng xy lanh khí nén 14 2.3. Phương án 3: Dùng cơ cấu cam 15 2.4. Phương án 4: Dùng bộ truyền vít me – đai ốc 17 2.5. Kết luận 18 3. Tính toán 18 3.1. Tính toán lực bám cần thiết và moment quay cần thiết. 18 3.2. Bài toán định tâm 23 3.3. Thiết kế thân robot 24 4. Kiểm bền những chi tiết quan trọng 25 4.1. Kiểm bền trục bánh xe 25 4.2. Kiểm bền ổ lăn trục bánh xe 27 4.3. Kiểm bền cơ cấu vít me – đai ốc 28 C. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 30 1. Tổng quan về vấn đề điều khiển 30 1.1. Mục tiêu điều khiển 30 1.2. Mô hình điều khiển 30 2. Hệ thống mạch điện 31 2.1. Cảm biến 31 Đồ án Thiết kế hệ thống cơ điện tử GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tấn Tiến 2 2.2. Mô hình mạch điều khiển 32 D. GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 36 1. Giải thuật điều khiển lực bám và định tâm 36 2. Giải thuật trên MASTER 37 3. Giải thuật trên SLAVE 38 3.1. Giải thuật trên SLAVE1 38 3.2. Giải thuật trên SLAVE2 39 E. THỰC NGHIỆM 41 1. Yêu cầu thực nghiệm 41 1.1 Mô hình thực tế 41 1.2. Yêu cầu thực nghiệm 41 2. Điều khiển vị trí lò xo 42 2. Tiến chậm, lùi nhanh 43 3. Giao tiếp giữa máy tính, master, slave 45 KẾT LUẬN 46 PHỤ LỤC 48 1. Giải thuật điều khiển vị trí 48 2. Giải thuật điều khiển lực bám 49 3. Giải thuật điều khiển vận tốc 50 Đồ án Thiết kế hệ thống cơ điện tử GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tấn Tiến 3 A. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Hiện trạng đường ống hút bụi phân nhà máy phân bón Hiệp Phước Hiện nay ở nước ta, vấn đề đang gặp phải ở hầu hết các đường ống hút bụi phân bón đó là tình trạng phân bón đóng cứng bám trên thành ống, làm giảm năng suất hút bụi phân của hệ thống đồng thời cũng làm giảm chất lượng phân bón tạo ra. Để có thể đánh giá mức độ bám dính của phân bón vào thành ống và đưa ra biện pháp giải quyết phù hợp, nhà máy đã thực hiện khảo sát các đường ống hút bụi phân bón. Kết quả thu được như Bảng 1. Bảng 1: Kết quả khảo sát các đường ống hút bụi phân bón STT ĐƯNG ỐNG KÍCH THƯC SỐ NGY KHẢO SÁT LƯNG PHÂN ĐNG BM TRONG ỐNG 1 Đường ống Ø400 t máy nghiền liệu to đến máy làm nguội Ø400 x 16 m 1 - V tr ng thng: bám phía dưới khoảng 60 mm, phía trên khoảng 20 mm. - V tr co 143° : bám phía dưới khoảng 70 mm, phía trên khoảng 35 mm. 2 - V tr ng thng: bám phía dưới khoảng 100 mm, phía trên khoảng 50 mm. - V tr co 143°: bám phía dưới khoảng 130 mm, phía trên khoảng 80 mm. Đồ án Thiết kế hệ thống cơ điện tử GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tấn Tiến 4 3 - V tr ng thng: bám phía dưới khoảng 150 mm, phía trên 70 mm. - V tr co 143°: bám phía dưới khoảng 200 mm, phía trên khoảng 100 mm. 2 Đường ống Ø400 t bunke trung gian đến ống sấy 1 Ø400 x 13 m 1 - Bám phía dưới khoảng 55 mm, phía trên khoảng 20 mm. 2 - Bám phía dưới khoảng 90 mm, phía trên khoảng 40 mm. 3 - Bám phía dưới khoảng 120 mm, phía trên khoảng 60 mm. 3 Đường ống Ø960 t sấy 1, sấy 2 đến lng bụi Ø960 7 - Bám phía dưới khoảng 200 mm, phía trên khoảng 50 mm. 4 Đường ống Ø960 t nguội đến buồng lng bụi Ø960 7 - V tr ng thng: bám phía dưới khoảng 200 mm, phía trên khoảng 50 mm. - Đặc biệt, tại v tr giao giữa ng Ø400 với ng Ø960: bám phía dưới khoảng 300 mm. 5 Đường ống Ø1200 t cyclone sấy 1, sấy 2, nguội Ø1200 7 - Bám phía dưới khoảng 250 mm, phía trên khoảng 60 mm. Đồ án Thiết kế hệ thống cơ điện tử GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tấn Tiến 5 2. Đặt bài toán T kết quả khảo sát, ta thấy rằng đường ống Ø400 có kích thước nhỏ nhất nhưng độ đóng bám phân bón lại cao nhất (chỗ nhiều nhất có tổng chiều dày đến 300 mm, tức 75% đường kính ống). Mặt khác với đường kính Ø400 và chiều dài 16 m, việc vệ sinh và khảo sát đường ống bằng phương pháp thủ công như dùng chổi quét là rất khó. Tuy nhiên với trình độ khoa học – kỹ thuật ngày nay, việc chế tạo robot vệ sinh và khảo sát đường ống là điều hoàn toàn có thể. Thực tế đã có nhiều công ty, trường đại học trên thế giới nghiên cứu và chế tạo thành công loại robot này. Do vậy, đồ án này đề xuất sử dụng robot để giải quyết vấn đề khảo sát vệ sinh đường ống Ø400. Mục tiêu của đồ án là thiết kế robot khảo sát đường ống là một mô-đun của robot vệ sinh đường ống. Để robot có thể hoạt động được trong đường ống, ta đặt ra các yêu cầu kỹ thuật cho robot như sau: - Có thể làm việc trong ống có đường kính Ø400 và không ảnh hưởng đến quá trình hút bụi diễn ra trong ống. - Có thể di chuyển vệ sinh các ống nghiêng. - Vận tốc di chuyển: tiến 2 m/ph và lùi 4 m/ph. - Robot không bị ăn mòn khi làm việc. - Robot có thể rẽ cua ở đoạn ống cong 90°. - Có thể quay hình ảnh bên trong đường ống đưa ra màn hình hiển thị. 3. Khảo sát các loại robot đường ống hiện nay Để có thể thiết kế hình dáng, kết cấu của robot, trước tiên ta sẽ khảo sát tình hình nghiên cứu robot này trên thế giới và trong nước. Trên thế giới, robot đường ống cũng đã có một quá trình phát triển nhất định, dựa trên đặc điểm di chuyển ta có thể phân thành các loại cơ bản như Hình 1.1. 6 Đường ống Ø800 t quạt sấy 1, sấy 2, nguội đến hấp thụ cánh vảy Ø800 4 - Bám phía dưới khoảng 200 mm, phía trên khoảng 80 mm. Đồ án Thiết kế hệ thống cơ điện tử GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tấn Tiến 6 Hình 1.1: Những loại robot phổ biến (a) PIG type – (b) Wheel type – (c) Crawler type – (d) Wall-press type (e) Walking type – (f) Inchworm type – (g) Screw type - PIG type : là loại robot đường ống phổ biến trên thị trường, nó không dùng các cơ cấu bẻ lái hay dẫn hướng bằng bánh xe mà di chuyển chủ yếu bằng cách lợi dụng áp suất chất lỏng bên trong để đẩy nó di chuyển dọc theo đường ống. - Wheel type : là loại robot đường ống dùng 4 bánh xe cơ bản thường thấy, bánh xe có thể thiết kế lại cho phù hợp với môi trường trong đường ống nhưng chủ yếu robot này chỉ dùng cho đường ống nằm ngang. - Crawler type : hay còn gọi là Caterpillar style robot (robot kiểu cánh bướm) tương tự như loại robot dùng 4 bánh di chuyển thì ở dây có thể dùng xích hay đai để mở rộng kích thước bánh xe, đồng thời thêm vào các thiết bị ngoại vi. - Wall-press type : đặc điểm nổi bật của loại robot này là khả năng bám thành ống ở cả trường hợp thẳng đứng 90 o bằng cách tác dụng đều lực lên các chân tạo sự cân bằng với ngoại lực giúp robot không bị rơi xuống. - Walking type : là dạng robot đường ống sử dụng dạng chân có các khớp di chuyển dưới dạng bước đi trong đường ống. Thiết kế dạng này thường rất phức tạp do cơ cấu chuyển động của nó, thường không được sử dụng nếu không có yêu cầu cụ thể. - Inchworm type : hay còn gọi là robot kiểu sâu đo, nó chuyển động mô phỏng theo chuyển động của sâu đo, trườn lên tng bước. Tất nhiên kiểu di chuyển này chậm và chỉ có thể áp dụng cho đường ống có đường kính nhỏ, chiều dài ngn. Đồ án Thiết kế hệ thống cơ điện tử GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tấn Tiến 7 - Screw type : là dạng robot đường ống chuyển động theo kiểu xon vít. 3.1. Một số đề tài nghiên cứu trên thế giới 3.1.1. Robot PCR Hình 1.2: Robot PCR - Nhóm tác giả: Thành viên của Công ty CougarDB - Đặc điểm: robot gồm có hệ thống khí nén để bơm khí vào cho các bánh cao su, giữa các bánh được liên kết bởi các bộ phận xy lanh nối tiếp nhau. - Cách thức di chuyển: khi bánh cao su 1 được bơm khí thì nó sẽ bám chặt vào thành ống, xy lanh chuyển động để kéo bánh cao su 2 di chuyển, rồi tới bánh 2 được bơm khí bám chặt vào thành ống cứ thế tiếp tục cho đến bánh cuối cùng, rồi quay lại chu trình như vậy. - Ưu điểm: dễ chế tạo, có thể di chuyển với góc cua ≥ 90°. - Khuyết điểm: di chuyển chậm, khó khăn lp công cụ công tác. 3.1.2. Robot kiểu sâu đo - Nhóm tác giả: Manabu Ono, Toshiaki Hamano, Shigeo Kato. - Đơn vị: Học viện kỹ thuật Nippon - Nhật Bản Đồ án Thiết kế hệ thống cơ điện tử GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tấn Tiến 8 Hình 1.3: Robot kiểu sâu đo - Đặc điểm: Robot bao gồm 1 cơ cấu nén - đẩy bằng khí, 1 camera nhỏ CCD, và 4 diot phát quang để chiếu sáng trên đường ống. Cơ cấu nén – đẩy bằng khí trên thân gồm bộ phận truyền động bằng cao su, van điện t để điều khiển kéo thả và các vòng ma sát. - Cách thức di chuyển: Khí được hút ra, chiều dài của robot sẽ thu nhỏ lại. Khi bơm khí vào các vòng ma sát phía sau đứng yên (do chiều lp ban đầu), các vòng ma sát trước bị đẩy lên di chuyển về phía trước. Khí lại được hút ra, các vòng ma sát đầu lúc này đứng yên và các vòng ma sát sau lại tiến lên theo. Và cứ tiếp tục như thế cho đến khi di chuyển đến hết đường ống. - Ưu điểm: nguyên lý đơn giản, dễ chế tạo. - Khuyết điểm: chỉ di chuyển 1 chiều, khó khăn trong quá trình rẽ cua và tham gia các công tác khác. 3.1.3. Robot đường ống kiểu đai 4 bánh - FAMPER - Nhóm tác giả: Jong-Hoon Kim - Đơn vị: Đại học Louisiana Đồ án Thiết kế hệ thống cơ điện tử GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tấn Tiến 9 Hình 1.4: Robot FAMPER - Đặc điểm: FAMPER sử dụng 4 bánh đai di chuyển, đầu có gn camera CCD, một số cảm biến lực gn với lò xo, truyền động bằng động cơ DC. Giao tiếp điều khiển không dây qua máy tính bằng giao diện ngôn ngữ Java. - Cách thức di chuyển: 4 bánh đai tiếp xúc ma sát với thành ống tạo lực đẩy đưa xe tiến về phía trước. Điểm hay của FAMPER là tác giả đã tính toán động học vận tốc, t đó đưa ra kết quả vận tốc của tng bánh đai trong trường hợp muốn cua các góc khác nhau 22,5°. - Ưu điểm: khả năng di chuyển linh hoạt, kết cấu nhỏ gọn. - Khuyết điểm: khả năng mở rộng chân để thích ứng với nhiều loại đường ống có đường kính thay đổi trong khoảng 20%. 3.1.4. Robot đường ống kiểu cân bằng 2 bánh - Nhóm tác giả: Fabien Tâche, Wolfgang Fischer, Roland Siegwart, Roland Moser, Francesco Mondala - robot của Công ty TNHH Alstom Power Service (Switzerland). - Đơn vị: Học viện kĩ thuật ETHZ - Thụy Sĩ - Đặc điểm: robot này có kết cấu độc đáo gồm 2 bánh xe liên kết với nhau, toàn robot có 1 khớp, 5 bậc tự do (2 bánh dẫn hướng, 1 khớp chính giữa, và 2 trục nâng). - Cách thức di chuyển: đây là dạng robot tác dụng lực vào thành ống để di chuyển, 2 bánh được bố trí lệch nhau 90°, có thể rẽ được 1 hướng. Đồ án Thiết kế hệ thống cơ điện tử GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tấn Tiến 10 Hình 1.5: Robot kiểu cân bằng 2 bánh - Ưu điểm: tính di động cao, nhỏ gọn. - Khuyết điểm: quá trình tính toán động lực phức tạp, bánh xe chiếm không gian lớn, khó lp đặt thêm đầu công tác. 3.1.5. Robot kiểu xoắn vít - HELI - Nhóm tác giả: Mihaita Horodinca, Ioan Doroftei, Emmanuel Mignon, André Preumont - Đơn vị: Đại học Bruxelles - Belgium - Đặc điểm: cấu tạo gồm 2 phần chính là phần dẫn hướng và phần xoay. Đã phát triển thành 4 phiên bản robot HELI với các kích thước khác nhau. Dưới đây là phiên bản HELI D-40/2. Hình 1.9: Robot HELI D-40/2 - Cách thức di chuyển: robot chuyển động theo 2 hướng chính:  Phần dẫn hướng các bánh xe được bố trí sao cho trục bánh xe vuông góc với trục đường ống, tạo tác dụng dẫn hướng thẳng khi robot di chuyển.  Phần xoay các bánh xe được bố trí sao cho lệch nhau một góc nhất định so với trục ống. Khi hoạt động, phần này xoay, các bánh sẽ lăn trên thành ống tạo thành đường xon ốc, giúp robot tiến về phía trước. [...]... bụi - Thứ hai, robot có thể định tâm bên trong đường ống Robot khảo sát đường ống là một mô đun của robot dọn vệ sinh đường ống (mô-đun còn lại là mô đun vệ sinh) Do vậy mô-đun khảo sát phải có khả năng định tâm để đảm bảo cho mô đun vệ sinh có thể vận hành theo ý muốn - Thứ ba, robot có thể di chuyển trong đường ống nghiêng Do vậy robot mà ta thiết kế phải có khả năng bám lên thành ống để di chuyển... ngầm, hệ thống cấp thoát nước thường là dạng ống hình vuông Với một số robot vệ sinh đường ống như: - Robot kiểm tra cống ngầm ở Hà Nội: Hình 1.10: Robot kiểm tra cống ngầm ở Hà Nội - Robot thăm dò và vệ sinh đường ống của trường ĐH Bách Khoa TPHCM: do PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến và nhóm nghiên cứu chế tạo thành công: Hình 1.12: Robot vệ sinh đường ống trường ĐH Bách Khoa TPHCM 11 Đồ án Thiết kế hệ thống cơ... để đảm bảo robot đồng tâm phải dịch chuyển đai ốc để khoảng cách d2 đúng bằng: d 2  C  d3 (3.8) 3.3 Thiết kế thân robot Một trong những yêu cầu thiết kế đặt ra cho robot đó là robot có thể rẽ ở các đoạn ống cua 90° Robot di chuyển trong không gian có giới hạn do vậy việc tính toán chiều dài robot để có thể qua được các đoạn ống cua 90° là rất quan trọng Gọi L là chiều dài của robot, D là đường kính... thành ống để di chuyển Từ các yêu cầu trên, nhóm chọn mô hình Wall-press kết hợp với sử dụng bánh xe để di chuyển Kết hợp Wheel type Wall-press type 12 Đồ án Thiết kế hệ thống cơ điện tử GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến B THIẾT KẾ CƠ KHÍ 1 Phương hướng thiết kế Kết hợp Wall-press type Wheel type Hình 2.1: Ý tưởng thiết kế sơ bộ Như vậy, robot có thân hình trụ gồm 6 chân, mỗi chân có bộ phận tạo lực bằng lò... bằng với lực ép Fi của mỗi bánh xe lên thành ống  Fc : lực cản chuyển động của robot dọc đường ống  Fh : lực hút dọc đường ống do quạt hút bụi phân tác dụng lên robot - Xét trường hợp tổng quát, robot di chuyển trong đường ống nghiêng góc β so với mặt phẳng ngang, vị trí robot như hình vẽ 18 Đồ án Thiết kế hệ thống cơ điện tử GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Hình 2.6: Mô hình tính toán Ta có hệ phương... đường kính bao của robot, d là đường kính trong đường ống phân bón (d = 400 mm), R là bán kính cong của robot được mô tả như hình dưới D N L d M h 45 R O Hình 2.8: Sơ đồ tính toán thân robot 24 Đồ án Thiết kế hệ thống cơ điện tử GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Hình 2.8 xét trường hợp robot ở vị trí mà chiều dài cho phép của robot là nhỏ nhất Để có thể đi qua vị trí này, chiều dài L của robot phải thỏa điều... thiết - Khi chuyển động trong đường ống, robot sẽ chịu tác động của các ngoại lực đó là:  P  mg : trọng lượng của robot  Fmsn : lực ma sát nghỉ do thành ống tác dụng lên mỗi bánh xe  M msl : mômen ma sát lăn cản trở chuyển động lăn của mỗi bánh xe  N i : phản lực do thành ống tác dụng lên mỗi bánh xe, lực này cân bằng với lực ép Fi của mỗi bánh xe lên thành ống  Fc : lực cản chuyển động của robot. .. PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến 4 Kết luận Để có thể chọn mô hình robot, ta sẽ phân tích một số yêu cầu đặt ra cho robot như sau: - Thứ nhất, robot có thể hoạt động trong đường ống Ø400 và không ảnh hưởng đến quá trình hút bụi diễn ra trong ống Trong quá trình robot đánh mảng phân bón, bụi phân vỡ ra sẽ được hệ thống hút bụi hút ra ngoài Do vậy, tiết diện của robot phải nhỏ hơn tiết diện ống để không cản trở hoạt...Đồ án Thiết kế hệ thống cơ điện tử GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến - Ưu điểm: khả năng tự hành cao, linh hoạt với tốc độ nhanh, qua được co 90° với bán kính cong lớn - Khuyết điểm: gặp khó khăn khi đi qua rẽ chữ T 3.2 Tình hình nghiên cứu ở nước ta Ở Việt Nam hiện nay, robot vệ sinh đường ống tròn hầu như chưa có Hầu hết các robot vệ sinh đường ống phục vụ cho các công trình hạ tầng kỹ thuật như cống ngầm,... thành ống, đồng thời đảm bảo trục robot nằm trên đường tâm của ống 1.2 Mô hình điều khiển Kiến trúc điều khiển của robot chia làm ba khối Khối COMPUTER, Khối MASTER, Khối SLAVE 30 Đồ án Thiết kế hệ thống cơ điện tử GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Hình 3.1: Kiến trúc điều khiển - Khối COMPUTER có nhiệm vụ:  Nhận tín hiệu từ camera, hiển thị cho người điều khiển quan sát quá trình hoạt động của robot