Thiết kế hệ thống dẫn động cho robot dọn rác dưới cống ngầm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ THANH HẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - HÀ THANH HẢI CHUYÊN NGÀNH CHẾ TẠO ROBOT THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG CHO ROBOT DỌN RÁC DƯỚI CỐNG NGẦM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: CHẾ TẠO MÁY KHÓA 2009-2010 Hà Nội - 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - HÀ THANH HẢI THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG CHO ROBOT DỌN RÁC DƯỚI CỐNG NGẦM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: CHẾ TẠO MÁY NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TSKH ĐỖ SANH Hà Nội - 2011 LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Lãnh đạo Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo sau đại học, Viện Cơ khí, Bộ mơn Cơng nghệ chế tạo máy Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Tôi xin gửi lời cảm ơn trân trọng sâu sắc đến GS.TSKH Đỗ Sanh PGS.TS Phan Bùi Khơi người tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tơi suốt q trình nghiên cứu thực đề tài Trong thời gian học tập, việc nghiên cứu luận văn hướng dẫn tận tình thầy giáo Bộ môn Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Nhân dịp cho gửi lời cảm ơn tới thầy, giáo tận tình giúp đỡ hướng dẫn Tuy nhiên dù có nhiều cố gắng nỗ lực thân, song luận văn tránh khỏi thiếu sót hạn chế Kính mong nhận ý kiến đóng góp bổ ích từ thầy cô giáo, bạn đồng nghiệp giúp cho luận văn hoàn chỉnh để hạn chế bớt thiếu sót Hà Nội, ngày tháng Tác giả luận văn Hà Thanh Hải năm 2011 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc LỜI CAM ĐOAN Tôi là: Hà Thanh Hải Nơi công tác: Luận văn: Thiết kế hệ thống dẫn động cho Robot dọn rác cống ngầm Chuyên ngành: Chế tạo máy Tôi xin cam đoan, luận văn riêng Các số liệu kết trình bày luận văn tơi phát triển, chưa công bố tài liệu Hà Nội, ngày tháng Tác giả luận văn Hà Thanh Hải năm 2011 MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN…………………………………………………………… LỜI CAM ĐOAN…………………………………………………………… BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ…………………………… PHẦN MỞ ĐẦU…………………………………………………………… CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT DỌN RÁC DƯỚI CỐNG NGẦM… 10 1.1 Đặc điểm hệ thống cống ngầm nguyên nhân gây tắc cống làm úng ngập thành phố Việt Nam…………………………… 10 1.2 Các loại robot kiểm tra, làm sạch, thông tắc, sửa chữa đường ống, cống ngầm giới nước ta……… 12 1.2.1 Một số loại robot kiểm tra đường ống, cống ngầm giới nước ta……………………………………… 12 1.2.2 Một số loại robot làm sạch, thông tắc, sửa chữa đường ống, cống cống ngầm giới……………………… 13 1.3 Yêu cầu thiết kế tính Robot di động làm việc hệ thống cống ngầm…………………………………… 15 1.4 Phân tích lựa chọn cấu trúc tổng thể mẫu Robot…………… 17 1.4.1 Môđun di chuyển…………………………………………… 17 1.4.2 Môđun công tác………………………………………… 18 1.4.3 Môđun điều khiển…………………………………… 19 1.4.4 Môđun quan sát…………………………………… 20 1.5 Mơ hình Robot thiết kế chế tạo……………………………… 20 CHƯƠNG II: ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC ROBOT DỌN RÁC DƯỚI CỐNG NGẦM 21 2.1 Động học động lực học phần xe Robot dọn rác cống ngầm……………………………………………………… 21 2.1.1 Động học phần xe Robot dọn rác cống ngầm…… 21 2.1.2 Động lực học phần xe Robot dọn rác cống ngầm… 31 2.2 Động học động lực học cánh tay máy Robot dọn rác cống ngầm……………………………………………………… 33 2.2.1 Động học cánh tay máy Robot dọn rác cống ngầm 33 2.2.2 Động lực học cánh tay máy Robot dọn rác cống ngầm 40 CHƯƠNG III:TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ ROBOT DỌN RÁC DƯỚI CỐNG NGẦM……… 54 3.1 Tính tốn thiết kế mơđun di chuyển cho Robot dọn rác công ngầm……………………………………………………………… 54 3.1.1 Xác định lực kéo công suất cần thiết cho cấu di chuyển Robot…………………………………………… 54 3.1.2 Tính tốn thiết kế truyền xích cho mơđun di chuyển Robot………………………………………………… 62 3.1.3 Xác định lực kéo công suất cần thiết cho cấu di chuyển Robot……………………………………………… 66 3.1.4 Tính tốn chọn ổ lăn cho môđun di chuyển Robot… 72 3.2 Tính tốn thiết kế cánh tay máy Robot dọn rác cống ngầm…………………………………………………… 74 3.2.1 Tính tốn khớp quay cánh tay máy Robot………… 74 3.2.2 Tính toán thiết kế khâu cách tay máy Robot dọn rác cống ngầm……………………………………… 96 3.2.3 Tính ổn định Robot cánh tay máy làm việc di chuyển 111 3.3 Tính tốn thiết kế thiết bị ủi Robot…………………………… 120 3.3.1 Xác định lực tác dụng lên Robot ủi 120 3.3.2 Tính sức bền khung ủi thiết bị ủi…………………… 125 3.2.3 Tính ổn định Robot ủi…………………………………… 130 3.4 Các thông số kỹ thuật Robot dọn rác cống ngầm… 132 KẾT LUẬN…………………………………………………………… 134 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………… 135 PHỤ LỤC LUẬN VĂN TẬP BẢN VẼ ROBOT DỌN RÁC DƯỚI CỐNG NGẦM…………………………………………………………… 136 BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Thứ tự Nội dung hình vẽ Hình 1.1 Mặt cắt cống ngầm khu phố Hàng Tre thành phố Hà Nội Hình 1.2 Hệ thống cống ngầm thành phố Hồ Chí Minh ngày 10/10/2005 Hình 1.3 Đầu đường Điện Biên Phủ Hà Nội trận mưa sang ngày 3/7/2010 Hình 1.4 Ảnh robot khảo sát đường ống, cống ngầm giới Hình 1.5 Ảnh robot khảo sát đường ống, cống ngầm Việt Nam Hình 1.6 Ảnh Robot làm đường ống kim loại Hình 1.7 Ảnh mơ hình Robot khắc phục cố đoạn ống bị hư hại từ bên trong, Đại học California Irvine (Mỹ) Hình 1.8 Ảnh Robot vớt thu gom rác bên cống ngầm Hình 1.9 Ảnh Robot thơng tắc ống kim loại Hình 1.10 Ảnh Robot dọn rác cống ngầm Hình 1.11 Mơ hình tổng thể Robot dọn rác cống ngầm Hình 2.1 Động học thân xe Hình 2.2 Mơ hình vận tốc bánh Hình 2.3 Vận tốc bánh xe Robot Hình 2.4 Quỹ đạo chuyển động Robot Hình 2.5 Sơ đồ mơmen lực phát động Hình 2.6 Mơ hình động lực học bánh Hình 2.7 Mơ hình động lực học thân xe Robot Hình 2.8 Sơ đồ động học Hình 2.9 Hệ tọa độ theo phương pháp D – H Hình 2.10 Mơ hình động lực học hệ vị trí trọng tâm Hình 2.11 Các lực tác dụng (khơng vẽ trọng lực) Hình 3.1 Sơ đồ xác định lực cản tác dụng lên máy ủi Hình 3.2 Sơ đồ xác định lực nén bánh Hình 3.3 Sơ đồ đặt lực, biểu đồ mô men kết cấu trục Hình 3.4 Sơ đồ lực mặt phẳng đứng tác dụng lên khớp quay Hình 3.5 Sơ đồ lực mặt phẳng đứng tác dụng lên khớp quay Hình 3.6 Sơ đồ lực mặt phẳng đứng tác dụng lên khớp quay Hình 3.7 Sơ đồ lực mặt phẳng đứng tác dụng lên khớp quay Hình 3.8 Sơ đồ lực tác dụng lên khớp quay nghiêng góc α Hình 3.9 Sơ đồ lực tác dụng lên cánh tay Robot vị tri tính tốn Hình 3.10 Sơ đồ tính sức bền khâu cánh tay Robot Hình 3.11 Mặt cắt ngang tiết diện A-A U Hình 3.12 Sơ đồ tính sức bền khâu cánh tay Robot Hình 3.13 Mặt cắt ngang tiết diện B-B U Hình 3.14 Sơ đồ tính sức bền khâu cánh tay Robot Hình 3.15 Mặt cắt ngang tiết diện C-C U Hình 3.16 Sơ đồ tính sức bền khâu cánh tay Robot Hình 3.17 Mặt cắt ngang tiết diện C-C U Hình 3.18 Sơ đồ tính ổn đỉnh Robot dọn rác Robot đào, tích rác Hình 3.19 Sơ đồ tính ổn định Robot di chuyển lên dốc Hình 3.20 Sơ đồ tính ổn định Robot xuống dốc Hình 3.21 Sơ đồ lực tác dụng lên Robot ủi Hình 3.22 Sơ đồ xác định trọng lương thiết bị ủi Hình 3.23 Sơ đồ lực cấu nâng thiết bị ủi Hình 3.24 Sơ đồ lực tác dụng lên thiết bị ủi Robot ủi Hình 3.25 Lực tác dụng lên khung ủi thiết bị ủi Hình 3.26 Sơ đồ ổn định Robot vị trí bàn ủi bắt đầu ấn sâu dao cắt vào rác Hình 3.27 Sơ đồ tính ổn định Robot vị trí bàn ủi nâng lên cuối trình đào trước bàn ủi tích đầy rác PHẦN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn việc dùng robot thay người để thông tắc cống ngầm cần thiết Việc nhằm giải vấn đề mơi trường vấn đề an tồn lao động cho người môi trường độc hại Hầu hết thành phố nước ta có mật độ dân số đông, khối lượng rác thải hệ thống cống ngầm hàng ngày lớn Vì khí hậu nhiệt đới ẩm nên lượng mưa hàng năm lớn, đặc biệt vào mùa mưa Khi cống ngầm bị tắc gây tình trạng ngập úng, dẫn đến nước bẩn rác thải ứ đọng gây vệ sinh môi trường Môi trường cống độc hại gồm nhiều loại virus, siêu vi trùng, nhiều chất hóa học ô nhiễm nặng, nên ảnh hưởng trực tiếp đến người công nhân dọn rác thông cống Vì kích thước, hình dạng cống đa dạng, từ nhỏ đến lớn, nên người khó để trực tiếp chui vào cống làm việc thông tắc Trong môi trường nước bẩn người quan sát được, với camera hồng ngoại robot quan sát Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu luận văn, đối tượng phạm vi nghiên cứu Luận văn đưa giải pháp ứng dụng Robot việc thơng tắc cống ngầm, cho hệ thống nước ngầm đô thị, thành phố Việt Nam Luận văn đưa cấu trúc tổng thể Robot, tính tốn thiết kế phần Robot tập trung chủ yếu vào việc thiết kế hệ thống dẫn động cho Robot dọn rác cống ngầm Luận điểm đóng góp luận văn Đưa loại Robot dọn rác cống ngầm mới; đặc biệt hệ thống khí (hệ thống dẫn động) Robot dọn rác cống ngầm, kèm theo giải pháp thông tắc cống ngầm Robot Phương pháp nghiên cứu Đưa giải pháp thiết kế hợp lý cho loại Robot di động * Khảo sát hệ thống cống ngầm loại rác thải Khảo sát loại cống ngầm, kiểu rác gây tắc cống, trường hợp cống tắc cần thông Các loại cống: hình dáng: thơng thường cống hình trịn, vng hình chữ nhật Về kích thước: từ đường kính 0,5 mét đến vài mét Các kiểu rác gây tắc cống: phân làm loại: rác mềm dạng dây, xơ, nilon, dây kim loại ; rác cứng gạch đá, rác bùn đất Thông thường cống tắc hỗn hợp rác gây nên * Lựa chọn, đưa mơ hình cho Robot dọn rác cống ngầm Môi trường cống ngầm thường bẩn, gồm nhiều loại rác thải khác Vì cần thiết kế Robot có module di chuyển di chuyển dạng cống ngầm khác nhau, có module chấp hành dọn, thơng tắc nhiều loại rác, có module quan sát để quan sát môi trường cống ngầm, đồng thời Robot phải chịu môi trường ô nhiễm cống ngầm Module di chuyển Robot di chuyển có bánh, dẫn động nhờ động chiều 24V (để đảm bảo an toàn, dùng điện xoay chiều nguy hiểm) Modun di động lái cứng, cống ngầm, đường cống chủ yếu thẳng, nên Robot khơng cần xoay chuyển hướng nhiều, tính chủ yếu module di chuyển khả bám, chống trơn trượt, bánh cần dẫn động Yêu cầu module di chuyển: phải thích nghi với nhiều loại cống có hình dạng khác nhau, địa hình cống, địa hình có đặc tính trơn trượt, chịu nước cần đảm bảo kín khít, chống gỉ Module chấp hành: gồm hai phận Một gầu xúc, để xúc ủi bùn, rác, gầu xúc có hai bậc tự do: nâng gầu, xoay gầu Hai cánh tay Robot, cánh tay có bậc tự do, dùng cho việc thông tắc loại rác mà không ủi cách: gắp rác, cắt rác, xúc rác… 10 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 ... thể Robot dọn rác cống ngầm 22 CHƯƠNG II ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC ROBOT DỌN RÁC DƯỚI CỐNG NGẦM 2.1 Động học động lực học phần xe Robot dọn rác cống ngầm 2.1.1 Động học phần xe Robot dọn rác cống ngầm. .. Ảnh Robot dọn rác cống ngầm 1.3 Yêu cầu thiết kế tính Robot di động làm việc hệ thống cống ngầm Từ khảo sát phân tích, vào yêu cầu chức Robot dọn rác cống ngầm, đưa cấu hình Robot dọn rác cống ngầm. .. tổng thể Robot, tính tốn thiết kế phần Robot tập trung chủ yếu vào việc thiết kế hệ thống dẫn động cho Robot dọn rác cống ngầm Luận điểm đóng góp luận văn Đưa loại Robot dọn rác cống ngầm mới;