(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu, chế tạo robot tự hành mang thiết bị phát hiện nguồn phóng xạ dùng trong hỗ trợ sự cố hạt nhân

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN QUANG THUẬN NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO ROBOT TỰ HÀNH MANG THIẾT BỊ PHÁT HIỆN NGUỒN PHÓNG XẠ DÙNG TRONG HỖ TRỢ SỰ CỐ HẠT NHÂN NGÀNH: KĨ THUẬT CƠ KHÍ 60520103 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN QUANG THUẬN NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO ROBOT TỰ HÀNH MANG THIẾT BỊ PHÁT HIỆN NGUỒN PHÓNG XẠ DÙNG TRONG HỖ TRỢ SỰ CỐ HẠT NHÂN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN QUANG THUẬN NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO ROBOT TỰ HÀNH MANG THIẾT BỊ PHÁT HIỆN NGUỒN PHÓNG XẠ DÙNG TRONG HỖ TRỢ SỰ CỐ HẠT NHÂN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 Hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ CHÍ CƢƠNG Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2017 LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Tơi xin cam đoan thơng tin trích dẫn luận văn đƣợc rõ nguồn gốc Tp Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 03 năm 2017 Nguyễn Quang Thuận iii LỜI CẢM ƠN Trƣớc tiên, xin gởi lời cám ơn sâu sắc đến giáo viên hƣớng dẫn khoa học PGS.TS Lê Chí Cƣơng, ngƣời định hƣớng giải vấn đề khoa học tận tình hƣớng dẫn tơi q trình thực luận văn Tôi xin cảm ơn tập thể cá nhân công tác Trung Tâm Đào Tạo Thuộc Viện Nghiên cứu Hạt Nhân tạo điều kiện giúp đỡ cho tơi thực thí nghiệm luận văn Tôi xin cảm ơn tất quý Thầy, Cô tham gia giảng dạy chƣơng trình đào tạo thạc sỹ kỹ thuật khí trang bị cho tơi kiến thức bổ ích suốt q trình học tập nghiên cứu Cuối cùng, xin gởi lời cám ơn đến gia đình, bạn bè ngƣời thân quan tâm, động viên giúp đỡ cho suốt thời gian học tập nghiên cứu để hoàn thành luận văn Tp Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 03 năm 2017 Nguyễn Quang Thuận iv MỤC LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI i LÝ LỊCH KHOA HỌC ii LỜI CAM ĐOAN iii LỜI CẢM ƠN iv TÓM TẮT v MỤC LỤC vi DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT .x DANH SÁCH HÌNH VẼ xii DANH SÁCH BẢNG xiv CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 1.3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 1.3.1 Mục tiêu tổng quát .2 1.3.2 Nội dung cụ thể 1.4 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 1.4.1 Đối tƣợng nghiên cứu .3 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu 1.5.1 Phƣơng pháp kế thừa 1.5.2 Phƣơng pháp chuyên gia 1.5.3 Phƣơng pháp tính tốn mơ 1.6 Kết cấu luận văn CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH VÀ DÒ TÌM PHĨNG XẠ 2.1 Tổng quan robot tự hành .5 2.1.1 Giới thiệu chung 2.1.2 Sơ lƣợc lịch sữ phát triển robot vi 2.1.3 Phân loại robot tự hành 2.2 Tổng quan dị tìm phóng xạ 14 2.2.1 Các vấn đề xã hội đặt 14 2.2.2 Tác hại tia phóng xạ thể 16 2.3 Các nghiên cứu đánh giá đề tài liên quan đến luận văn .17 2.3.1 Trong nƣớc .17 2.3.2 Ngoài nƣớc .19 2.4 Những vấn đề chung tồn đề xuất yêu cầu thiết bị cho robot .21 2.4.1 Những vấn đề chung tồn 21 2.4.2 Đề xuất yêu cầu thiết bị cho robot luận văn 22 CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐO HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ VÀ ROBOT TỰ HÀNH 23 3.1 Cơ sở lý thuyết đo hoạt độ phóng xạ 23 3.1.1 Những đặc tính chung phƣơng pháp đo hoạt độ .23 3.1.1.1 Các phƣơng pháp đo tích phân vi phân .23 3.1.1.2 Các phép đo tuyệt đối tƣơng đối 24 3.1.1.3 Phƣơng pháp góc khối nhỏ 24 3.1.1.4 Phƣơng pháp hình học -4π : 25 3.1.1.5 Phƣơng pháp trùng phùng 26 3.1.1.6 Phƣơng pháp đo nhiệt lƣợng 27 3.1.2 Hoạt độ phóng xạ tốc độ đếm 27 3.1.3 Các loại detector .29 3.1.3.1 Các detector chứa khí 29 3.1.3.2 Buồng ion hoá .31 3.1.3.3 Các ống đếm tỷ lệ (Proportional Counter) 31 3.1.3.4 Ống đếm Geiger - Mueller 32 3.1.3.5 Các detector nhấp nháy (Scintillation Counter) 34 3.1.3.6 Các detector bán dẫn .36 vii 3.1.3 Lựa chọn detector 37 3.2 Cơ sở lý thuyết robot tự hành .40 3.2.1 Mơ hình động học robot 40 3.2.2 Phƣơng trình động lực học .40 3.2.3 Xác định số bậc tự robot 44 CHƢƠNG : MƠ HÌNH THIẾT KẾ 45 4.1 Phân tích đối tƣợng thiết kế 45 4.1.1 Yêu cầu kỹ thuật robot tự hành 45 4.1.2 Nguyên lí hoạt động robot tự hành 45 4.2 Phƣơng án thiết kế 46 4.2.1 Phƣơng án thiết kế kết cấu khí 46 4.2.1.1 Phƣơng án 1: Kết cấu khí robot dạng khung 46 4.2.1.2 Phƣơng án 2: Kết cấu khí robot dạng 46 4.2.1.3 So sánh phƣơng án lựa chọn kết cấu khí .47 4.2.2 Phƣơng án di chuyển cho robot .47 4.2.2.1 Phƣơng án 1: di chuyển bánh đai 47 4.2.2.2 Phƣơng án 2: Di chuyển bánh xe 47 4.2.2.3 So sánh phƣơng án lựa chọn phƣơng án di chuyển .48 4.2.3 Phƣơng án truyền động cho Robot 48 4.2.3.1 Phƣơng án 1: Truyền động bánh 48 4.2.3.2 Phƣơng án 2: Truyền động xích đai 49 4.2.3.3 So sánh lựa chọn phƣơng án truyền động cho robot 49 4.2.4 Phƣơng án robot di chuyển bình thƣờng bị lật 49 CHƢƠNG : TÍNH TỐN THIẾT KẾ CHI TIẾT 50 5.1 Tính cơng suất chọn động .50 5.2 Tính chọn truyền bánh .51 CHƢƠNG : CHẾ TẠO KẾT CẤU CƠ KHÍ ROBOT 53 6.1 Một số chi tiết robot 53 viii 6.2 Một số chi tiết phụ robot .54 6.3 Mơ hình hồn thành thực tế robot 55 CHƢƠNG : THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ VÀ ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT 56 7.1 Sơ đồ mạch thông số kỹ thuật thiết bị điện tử 56 7.1.1 Sơ đồ mạch điện điều khiển trung tâm .56 7.1.2 Thông số kỹ thuật mạch điều khiển trung tâm : .57 7.1.3 Thông số kỹ thuật mạch điều khiển động : 59 7.1.4 Thông số kỹ thuật thu tín hiệu : 59 7.1.5 Thơng số kỹ thuật phát tín hiệu : .60 7.1.6 Mạch ổn áp 61 7.1.7 Mạch truyền liệu : .62 7.1.8 Mạch điều khiển động 63 7.1.9 Thông số camera 64 7.2 Phần mềm lập đồ ghi nhận kết 65 CHƢƠNG : THỬ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 66 8.1 Thiết bị sử dụng thử nghiệm 66 8.1.1 Liều kế cá nhân bỏ túi điện tử cho tia X gamma Mini Instrument 6100 66 8.1.2 Nguồn phóng xạ .67 8.2 Sơ đồ không gian thử nghiệm sơ đồ đƣờng robot 67 8.3 Trình tự tiến hành thử nghiệm 68 8.4 Kết thử nghiệm 69 8.5 Đánh giá kết thử nghiệm 77 CHƢƠNG : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 78 KẾT LUẬN 78 KIẾN NGHỊ 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO .79 ix CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết đề tài Ngày nay, Robot tự hành đƣợc ứng dụng rộng rãi, đƣợc đầu tƣ phát triển mạnh mẽ sử dụng nhiều lĩnh vực nhƣ quân ,giám sát ,trong môi trƣờng độc hại mà ngƣời trực tiếp hoạt động Theo báo cáo Cơ quan Năng lƣợng nguyên tử quốc tế (IAEA) năm 2013, có 615 vụ nguồn phóng xạ từ năm 1993 đến năm 2012, tức trung bình năm có từ 20 đến 40 vụ vật liệu phóng xạ bị thất lạc bị đánh cắp giới Riêng năm 2013, IAEA nhận đƣợc báo cáo 140 vụ nguồn phóng xạ Từ quý I năm 2013 đến quý III năm 2014, giới xảy 266 cố nguồn xạ Ở nƣớc nhƣ Mỹ ,Nhật,….thì có Robot tự hành thực cơng việc tƣơng tự nhƣng chủ yếu sữ dụng thiết bị cầm tay Ngoài nƣớc nhƣ Nam Phi, Pháp, Đức, Canada… số nƣớc phát triển xảy nhiều cố nguồn phóng xạ Thống kê Cục An toàn xạ hạt nhân (ATBXHN) thuộc Bộ Khoa học Công nghệ Việt Nam năm 2014 Cả nƣớc có 6000 nguồn phóng xạ, với 1.000 sở sử dụng thiết bị xạ Điều tiềm ẩn nhiều nguy an tồn phóng xạ Trong 12 năm qua, nƣớc ta xảy vụ nguồn phóng xạ Các vấn đề đặt yêu cầu cần thiết có thiết bị cần thiết để kiểm tra, dự báo, đảm bảo an tồn phóng xạ sở sử dụng nguồn phóng xạ xạ Để đáp ứng đƣợc nhu cầu việc kiểm tra đảm bảo an tồn phóng xạ từ nguồn cơng nghiệp tự nhiên quan trọng Nhƣng nƣớc ta chƣa có thiết bị hỗ trợ cho việc tìm kiếm nguồn phóng xạ thất lạc, hỗ trợ có cố liên quan phóng xạ Vì mà đề tài “Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm Robot tự hành mang thiết bị phát nguồn phóng xạ dùng hỗ trợ cố hạt nhân’’ học viên lựa chọn có tính cấp thiết khả ứng dụng cao Việt Nam CHƢƠNG : THỬ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 8.1 Thiết bị sử dụng thử nghiệm 8.1.1 Liều kế cá nhân bỏ túi điện tử cho tia X gamma Mini Instrument 6100 - Detector: Ống đếm Geiger-Muller tự tắt dùng khí halogel có kích thƣớc bé đƣợc đặt máy - Đại lƣợng đo đƣợc: liều tƣơng đƣơng, đơn vị mSv; suất liều tƣơng đƣơng, đơn vị mSv/h tƣơng ứng với ngƣỡng đo nhƣ sau – 9999 mSv, – 99,99 mSv/h - Chỉ thị: Màn hình tinh thể lỏng, có báo động tín hiệu âm liều vƣợt ngƣỡng cài đặt pin yếu - Trọng lƣợng: 125 gam - Kích thƣớc: 1106018 mm3 Hình 8.1 Máy Mini Instruments 6100 Series Dosimeter 66 8.1.2 Nguồn phóng xạ - Tên nguồn: Co – 60 - Hoạt độ 0,83 mCi thời điểm ngày sản xuất tháng 01/2014 - Thời gian bán rã nguồn: T1/2 = 5,27 năm Hình 8.2 Nguồn phóng xạ Co – 60 8.2 Sơ đồ khơng gian thử nghiệm sơ đồ đƣờng robot  Khơng gian tiến hành thí nghiệm : Hành lang Phóng thí nghiệm Trung tâm đào tạo thuộc Viện nghiên cứu hạt nhân Địa : Số 01 Nguyên Tử Lực, Đà Lạt, Lâm Đồng Hình 8.3 sơ đồ mơ khơng gian thí nghiệm 67 Hình 8.4 sơ đồ mô đƣờng robot 8.3 Trình tự tiến hành thử nghiệm - Chuẩn bị thiết bị cần thiết, kết nối với máy tính phần mềm - Điều khiển robot lần lƣợt qua vị trí theo hình 8.4 o Vị trí : nguồn phóng xạ đặt ngồi hành lang o Vị trí : nguồn phóng xạ đặt ngồi hành lang sau dãy đồ chuyên dụng o Vị trí : nguồn phóng xạ đặt sau cánh cửa nhơm o Vị trí : nguồn phóng xạ đặt phịng có chƣớng ngại vật Hình 8.5 Sơ đồ vị trí nguồn phóng xạ - Ghi nhận kết mà robot đo đƣợc vị trí nguồn phóng xạ - Đồng thời quay video tiến trình thực trình di chuyển robot - 68 8.4 Kết thử nghiệm 69 70 71 Vị trí : Nguồn phóng xạ đặt bên ngồi hành lang trống Hình 8.6 Hình vị trí giá trị đo tƣơng ứng với vị trí Hình 8.7 Biểu đồ kết đo suất liều vị trí Kết vị trí 1: Bình thƣờng robot đo đƣợc giá trị suất liều 0.03 – 0.04 Msv/h nhƣng robot đến điểm 54,55,56 giá trị suất liều bắt đầu tăng cao đến điểm số 57 tƣơng ứng đồ theo dõi đƣờng robot đƣợc 54.7m giá trị suất liều 0.12 Msv/h sau hạ xuống thấp Giá trị suất liều 0.12 Msv/h giá trị điểm có nguồn phóng xạ 72 Vị trí : Nguồn phóng xạ đặt sau ãy đồ chun dụng Hình 8.8 Hình vị trí giá trị đo tƣơng ứng với vị trí Hình 8.9 Biểu đồ kết đo suất liều vị trí Kết vị trí : Bình thƣờng robot đo đƣợc giá trị suất liều 0.03 – 0.05 Msv/h nhƣng robot đến điểm 14,15,16,17,18,19 giá trị suất liều bắt đầu tăng cao đến điểm số 20 tƣơng ứng đồ theo dõi đƣờng robot đƣợc 35.7 m giá trị suất liều 0.12 Msv/h sau hạ xuống thấp đột ngột Giá trị suất liều 0.12 Msv/h giá trị điểm có nguồn phóng xạ 73 Sau qua vị trí có nguồn phóng xạ suất liều giảm xuống đột ngột đầu dị đƣợc gắn phía trƣớc robot sau qua robot trở thành vật cản ảnh hƣởng đến việc ghi nhận đầu dị Vị trí : Nguồn phóng xạ đặt sau cánh cửa nhơm dày 30 mm Hình 8.10 Hình vị trí giá trị đo tƣơng ứng với vị trí Hình 8.11 Biểu đồ kết đo suất liều vị trí 74 Kết vị trí : Bình thƣờng robot đo đƣợc giá trị suất liều 0.03 – 0.05 Msv/h nhƣng robot đến điểm 7,8,9 giá trị suất liều bắt đầu tăng cao đến điểm số 10 tƣơng ứng đồ theo dõi đƣờng robot đƣợc m giá trị suất liều 0.12 Msv/h sau hạ xuống thấp đột ngột Giá trị suất liều 0.12 Msv/h giá trị điểm có nguồn phóng xạ Sau qua vị trí có nguồn phóng xạ suất liều giảm xuống đột ngột đầu dị đƣợc gắn phía trƣớc robot sau qua robot trở thành vật cản ảnh hƣởng đến việc ghi nhận đầu dò Vị trí : Nguồn phóng xạ phịng thí nghiệm 75 Hình 8.12 Hình vị trí giá trị đo tƣơng ứng với vị trí Hình 8.13 Biểu đồ kết đo suất liều vị trí Kết vị trí : Bình thƣờng robot đo đƣợc giá trị suất liều 0.03 – 0.05 Msv/h nhƣng có vị trí 21 suất liều tăng cao đến 0.09 Msv/h sau giảm xuống robot đến điểm 57,58,59 giá trị suất liều bắt đầu tăng cao đến điểm số 60 tƣơng ứng đồ theo dõi đƣờng robot đƣợc 17 m giá trị suất liều 0.12 Msv/h Giá trị suất liều 0.12 Msv/h giá trị điểm có nguồn phóng xạ Tại vị trí số 21 suất liều tăng cao đến 0.09 Msv/h sau giảm xuống điều đƣợc lý giải phịng thí nghiệm lúc thử nghiệm có phịng chứa nguồn phóng xạ khác nên robot lại gần vị trí suất liều tăng cao 76 8.5 Đánh giá kết thử nghiệm Căn vào kết thử nghiệm ghi nhận đƣợc trực quan phần mềm lập biểu đồ Sau đƣợc thống kê biểu đồ Tơi đƣa số nhận xét đánh giá sau : - Nguồn phóng xạ đƣợc phát giá trị : 0,12 mSv - Ở điều kiện bình thƣờng giá trị detector ghi nhận : 0,03-0,04 mSv - Khi giá trị detector ghi nhận tăng lên đột ngột chứng tỏ vùng hoạt động robot có tồn nguồn phóng xạ nồng độ phóng xạ tự nhiên cao - Robot phát nguồn đặt vị trí nhƣ : o Ngồi vị trí thơng thống o Sau cửa nhôm dày 30 mm o Sau dãy đồ chuyên dụng vãi - Robot phát đƣợc nguồn phóng xạ đặt sau tƣờng dày 200 mm Ngồi ra, độ xác giá trị đo đƣợc detector phụ thuộc vào yếu tố sau : - Độ nhạy detector - Độ mạnh nguồn phóng xạ : o Nguồn phóng xạ khơng bọc chì thép khơng gĩ bên ngồi dễ phát o Các nguồn phóng xạ nhỏ khó phát - Địa hình thực nghiệm robot Địa hình phức tạp nhiều chƣớng ngại vật vật cản khó phát nguồn phóng xạ 77 CHƢƠNG : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Luận văn giải đƣợc vấn đề sau:  Tổng quan Robot tự hành  Tổng quan dị tìm phóng xạ  Lý thuyết đo nồng độ phóng xạ  Lý thuyết Robot tự hành  Tính tốn, thiết kế chế tạo đƣợc Robot  Điều khiển robot, kết nối để thu nhận hình ảnh liệu  Lập đồ đƣờng ghi nhận kết đo robot phần mềm  Tiến hành thử nghiệm robot phòng thí nghiệm ngồi hành lang  Kết nghiên cứu sở để nghiên cứu ứng áp dụng cho thí nghiệm thực nghiệm ngồi thực tế robot Tuy nhiên đề tài số hạn chế:  Do điều kiện hạn hẹp kinh phí, thời gian đặc thù nguy hiễm nguồn phóng xạ nên đề tài tiến hành thí nghiệm phịng thí nghiệm ngồi hành lang phịng thí nghiệm KIẾN NGHỊ  Nghiên cứu sâu robot tự hành để thực nghiệm ngồi mơi trƣờng thực  Nghiên cứu detector chịu đƣợc va đập kết nối đƣợc liệu trực tiếp tới máy tính  Nghiên cứu phát triễn robot dị tìm đƣợc nguồn nhỏ điều kiện khắc nghiệt 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] Đỗ Quý Sơn,Huỳnh Văn Trung “ Cơ sở hóa học phóng xạ” Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội [2] GS.TS Ngô Quang Huy “ Cơ sở vật lý hạt nhân” Nhà xuất khoa học kỹ thuật [3] PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc “Cơ sở thiết kế máy” Nhà xuất ĐHQG TP HCM TIẾNG NƢỚC NGOÀI [4] A.I Abramov, IU.A Kazanski E.X Matuxevich "Cơ sở phƣơng pháp vật lý hạt nhân thực nghiệm" TS Nguyễn Đức Kim dịch thuật CÁC BÀI BÁO [5] Sercan Arslan and Hakan Temeltaş “Robust Motion Control of a Four Wheel Drive Skid-Steered Mobile Robot” 2011 7th, Bursa, TURKEY [6] A.Miller, R.Machrafi, A.Mohany “Development of a Semi-Autonomous Directional and Spectroscopic Radiation Detection Mobile Platform” 20November 2014, Ontario, Canada [7] Marco.A Contreras-Cruz, Victor Ayala-Ramirez, Uriel H Hernandez-Belmonte “Mobile robot path planning using artificial bee colony and evolutionary programming’’ Electronics Engineering Department, Universidad de Guanajuato, Salamanca, Mexico 79 S K L 0 ... ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN QUANG THUẬN NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO ROBOT TỰ HÀNH MANG THIẾT BỊ PHÁT HIỆN NGUỒN PHÓNG XẠ DÙNG TRONG HỖ TRỢ SỰ CỐ... MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN QUANG THUẬN NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO ROBOT TỰ HÀNH MANG THIẾT BỊ PHÁT HIỆN NGUỒN PHÓNG XẠ DÙNG TRONG HỖ TRỢ SỰ CỐ HẠT NHÂN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 Hƣớng dẫn... tồn phóng xạ từ nguồn công nghiệp tự nhiên quan trọng Nhƣng nƣớc ta chƣa có thiết bị hỗ trợ cho việc tìm kiếm nguồn phóng xạ thất lạc, hỗ trợ có cố liên quan phóng xạ Vì mà đề tài ? ?Nghiên cứu, chế