Đề tài Thiết kế và chế tạo mô hình robot đường ống

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH ROBOT ĐƯỜNG ỐNG KS.Võ Anh Huy PGS.TS.Đặng Văn Nghìn vahuy@dme.hcmut.edu.vn; nghindv@yahoo.com . Bộ mơn Cơ Điện Tử - Khoa Cơ Khí, Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh TĨM TẮT Nội dung chính của bài báo là giới thiệu một loại robot dường ống cĩ nhiều ứng dụng khác nhau . Robot này bao gồm một phần di chuyển theo dọc chiều dài ống cĩ nhiệm vụ dẫn hướng, phần cịn lại giữ vai trị chính là tạo ra lực bám trên thành ống bằng chuyển động của các bánh xe. Một động cơ DC được đặt giữa những bộ phận liên kết dùng để tạo ra sự chuyển động của robot. Tất cả các bánh xe của nĩ bám sát vào mặt trong của ống và cĩ thể thay đổi tùy theo đường kính của ống như 180 đến 240 mm. Robot cĩ thể được điều khiển từ xa khơng dây thơng qua sĩng radio, trong bài báo này dùng cách điều khiển cĩ dây. ABSTRACT The paper presents an original robot architecture for in-pipe with multi functional. The robot consists of a universal joint guided along the pipe by a set of wheels moving parallel to the axis of the pipe, while the other part is friction forced about the axis of the pipe. A single DC motor is placed between the two bodies to produce the motion. All the wheels are mounted on a suspension to accommodate for changing tube diameter and cuvers in the pipe. The robot is autonomous and carries its own batteries and radio link. Four different prototypes have been constructed for pipe diameter of 180 to 240 mm, respectively, the radio receiver may be placed on an additional body attached to the others 1. GIỚI THIỆU Việc khảo sát và dị tìm các khuyết tật của đường ống kim loại chịu áp lực như ống gas, khí đốt, dầu khí .v.v là một nhu cầu rất cần thiết. Tuy nhiên khi thiết kế robot đường ống này, chúng ta thường gặp phải những khĩ khăn sau đây - Cơ cấu tạo chuyển động bên trong ống - Sự thay đổi đường kính ống. - Hướng của ống thay đổi. - Việc cung cấp năng lượng cho robot trong quá trình di chuyển. 2. CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG ROBOT ĐƯỜNG ỐNG Cấu trúc của robot đường ống bao gồm năm cụm liên kết với nhau và được miêu tả trên Hình 1, hai cụm truyền động, một cụm nằm phía trước và một cụm nằm phía sau. Robot cĩ hai cụm dẫn hướng trước và sau, cụm dẫn hướng giữa cĩ nhiệm vụ liên kết và tham gia dẫn hướng cho robot khi robot đi qua đọan ống cĩ hướng thay đổi. Robot được điều khiển bằng máy tính nhờ sự kết hợp của hai camera bố trí trên hai cụm dẫn hướng đầu của robot để đưa dữ liệu hình ảnh mà nĩ nhận được về máy tính. Robot được thiết kế đủ lực kéo để leo qua các đường ống thẳng đứng đồng thời kéo theo cáp dẫn. Lực này được cung cấp bởi hai bộ cụm truyền động nằm phía trước và phía sau robot. Mỗi cụm cĩ các cơ cấu bánh xe linh hoạt áp lên thành ống, ma sát giữa bánh xe và mặt trong ống tạo ra lực kéo để robot di chuyển. Trong quá trình di chuyển về phía trước cụm truyền động phía trước tạo lực kéo, cụm sau tạo lực đẩy và ngược lại. Hình 1 : Cấu trúc của robot đường ống robot đường ống. Bộ phận dẫn động và bộ phận dẫn hướng được nối lại với nhau qua cơ cấu bẻ lái như Hình 2 . Cả hai đều cĩ ba cơ cấu chân bánh xe xếp cách đều 120 độ trịn chung quanh thân chính. Ba chân bánh xe thay đổi chiều dài đồng thời nhờ tác động từ lị xo bố trí như Hình 2. Lị xo tác động lên cơ cấu chân bánh xe phát sinh lực ép lên thành ống. Trên robot thiết kế, lực kéo phát sinh từ các bánh xe và được truyền động bởi một động cơ DC đặt trên đoạn thân sau. Momen động cơ được cơ cấu giảm tốc trục vít truyền qua dây đai ở chân xếp như hình 7. Đoạn thân trước khơng nguồn dẫn động, chỉ cĩ một CCD camera dùng để quan sát và được nối với cụm dẫn động qua cơ cấu bẻ lái. Hình 2 : cơ cấu bẻ lái nối bộ phận dẫn hướng và bộ phận dẫn động 3. TÍNH TỐN KÍCH THƯỚC ROBOT ĐƯỜNG ỐNG Trước tiên, chúng ta cần tính tĩan điều kiện khi robot đi qua một đọan ống cong (Hình 3) là trường hợp khĩ nhất trong quá trình di chuyển của robot. Hình dạng điển hình của đường ống thường là các ống bậc, ống thẳng đứng, co, nhánh rẽ, ống giảm vàvan như được diễn tả trên hình 3. Robot đường ống di chuyển qua được các dạng ống bậc, di chuyển lên và xuống các ống nghiêng nhỏ hơn 300. Những dạng đường ống cĩ những giới hạn về mặt kích thước hình học nên robot đường ống cần được thiết kế thoả mãn các giới hạn đĩ di chuyển qua được các đọan ống cong. Trong những giới hạn trên, thì độ cong của đường ống là trở ngại lớn nhất bởi vì robot sẽ gặp khĩ khăn khi kích thước của nĩ quá to hay quá dài. Thực tế các tiêu chuẩn về đường cong của ống phải cĩ bán kính lớn hơn 2/3 lần đường kính của ống. Do vậy mỗi cụm của robot cần thoả mãn điều kiện trên để cĩ thể di chuyển được. Chúng tơi sẽ minh hoạ một co vuơng (900) và tính tốn kích thước cho mỗi cụm trên robot. Một cụm của robot đường ống cĩ thể được mơ phỏng đơn giản như là một khối trụ như hình 3. Sau đĩ robot cĩ thể xem như gồm nhiều cụm liên kết với nhau và ta cĩ thể rút ra mối liên hệ giữa đường kính ống, độ cong, và kích thước của mỗi module, vị trí khĩ nhất của một module là nằm nghiêng 450. Trong trường hợp này, ta cĩ thể xem xét 2 trường hợp: a) Chiều rộng của cụm W nhỏ hơn chiều dài h và cà hai đầu đều nằm ở phía ngịai đọan cong (hình 3a). b) Cả hai đầu của module đều nằm ở phía trong đọan cong (hình 3b). Tùy theo trường hợp mà ta cĩ thể rút ra các phương trình ràng buộc quyết định kích thước của cụm và được tính tĩan như sau Hình 3 : Cụm di chuyển qua khúc co. Trong trường hợp a(hình 3a) chiều rộng W cĩ ràng buộc như sau: 0 < w < ((R+D/2)sin450 - (R - D/2)) (1) trong đĩ : D là đường kính của ống, R là bán kính cong của đọan ống. Chiều rộng W chỉ cĩ thể cĩ giá trị lớn nhất là đoạn HB (trên hình 3 a), HB = OB - OH = ((R+D/2)sin450 - (R - D/2)) (2) Do vậy, chiều dài tối đa của 1 cụm đựơc cho bởi: h = 2 (D/2 + R - (R - D/2 + w)cos450) (3) Chiều dài cụm h = 2Cx trên hình 6a ta cĩ: Cx'= OC - Ox' = (D/2 + R) - (R - D/2 + w).cos450 (4) mà Cx = .Cx' Trong trường hợp 3b, cả hai đầu của cụm đều nằm trong đoạn ống cong. Do vậy khỏang thay đổi của kích thước w co mối quan hệ như sau: ((R + D/2)sin450 - (R - D/2)) < w < D (5) Vậy chiều dài tối đa của cụm theo w: h = 2 (6) Các phương trình (3) và (6) đưa ra các giới hạn về kích thước của robot đường ống tùy theo kích thước của đoạn ống. Robot đường ống do chúng tơi thiết kế phù hợp cho các đường ống cĩ kích thước đường kính thay đổi từ 180 mm đến 240 mm. Do vậy đường ống được chọn làm mơ hình cĩ đường kính là 220mm được diễn tả như hình 7. Mạng đường ống bao gồm các ống thẳng nằm ngang và đứng, các co vuơng 900, co T để giả định các trường hợp cĩ trong thực tế. D=220mm bán kinh tại gĩc lượn được thiết kế cĩ R=D= 220mm Xét trường hợp a) cĩ w lớn nhất w = ((R+D/2)sin450 - (R - D/2)) = (220+110).sin450 - (220-110) = 123 mm Nhận xét thấy kết cấu phù hợp nhất để cĩ thể chế tạo với các điều kiện kỹ thuật hiện cĩ thì w cĩ giá trị khoảng 180mm trở lên. Vậy với w trên thì ta cĩ h thuộc trường hợp Bộ phận dẫn động Cơ cấu bẻ lái Bộ phận dẫn hướng b)hmax=2 = 315 mm. Với các giá trị giới hạn w và h ta định ra kích thước bao cho từng cụm robot. Dưới đây là hình vẽ chi tiết của một số bộ phận chính của mơ hình robot như trên hình 4, hình 5 và hình 6 Hình 4: Kết cấu cụm dẫn động 1.Bánh xe; 2.Bánh đai; 3.Khung nhơm; 4.Thân cố định; 5. Cữ chặn; 6.Thân trượt; 7.Lị xo; 8.Trục vit- bánh vit; 9.Động cơ truyền động; 10. Bánh đai; 11.Dây đai. Cụm dẫn động họat động nhờ động cơ (9) và bánh đai (10) làm quay trục vit (8) và nhờ vậy mà bộ truyền đai răng (11) được dẫn động làm các bánh xe chuyển động, chiều chuyển động của bánh xe cĩ thể chuyển động theo hai chiều thuận và nghịch tùy theo chiều di chuyển của robot. Bánh xe(1) bám lên bề mặt thành ống nhờ lị xo (7) giữ khung nhơm hình bình hành (3) luơn được đẩy ra, chính vì vậy mà các bánh xe luơn luơn bị áp sát vào bề mặt của thành ống. Cụm dẫn hướng đầu (Hình 5) và giữa (Hình 6) cĩ nhiệm vụ quan trọng khi đưa robot đi qua đọan ống cong. Hình 5: Kết cấu đoạn dẫn hướng(cụm đầu) Hình 6: Cụm dẫn hướng trung gian(cụm giữa) 4. TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC CƠ CẤU BẺ LÁI Nguyên lý hoạt động của cơ cấu bẻ lái thể hiện trên Hình 7 Hình 7 : Cấu trúc 3D của cơ cấu bẻ lái Hình 7 là ảnh 3D và mặt cắt của cơ cấu bẻ lái cĩ một khớp nối xiên bên trong dùng điều khiển chuyển động xoay hai bậc tự do. Nĩ cĩ hai động cơ DC và cơ cấu giảm tốc, tuần tự lái nửa cầu trên và nửa cầu dưới. Hai nửa cầu tiếp xúc trên một mặt nghiêng một gĩc ( so với mặt ngang). Liên kết các-đăng bên trong truyền moment từ động cơ đến nửa cầu trên, liên kết bên ngồi là cơ cấu cứng chỉ dùng nối kết hai khâu, và ngăn cản dịch chuyển tương đối giữa chúng. Khớp nối xiên xoay quanh trục nghiêng. Lần lượt cho nửa cầu trên và nửa cầu dưới xoay, ta thu được chuyển động tương đối của khớp như Hình 8a, Hình 8b là trường hợp nửa cầu trên xoay và Hình 8c diễn tả nửa cầu dưới xoay, đây là nguyên lý làmviệc cơ bản của cơ cấu. Chuyển động quay mong muốn được thực hiện bằng cách phối hợp gĩc xoay của hai nửa cầu. Hình 8 : Nguyên lý hoạt động cơ cấu bẻ lái Hình 9 mơ tả sơ đồ động học đơn giản hĩa, với Ji và i là khớp thứ i và gĩc quay của nĩ, li là khoảng cách giữa hai khớp, Li là khâu thứ i. Trong cơ cấu nêu trên, khớp J1 và J3 là các khớp truyền chủ động. Khớp các-đăng trong và ngồi được biểu diễn trên sơ đồ lần lượt bởi các cặp khớp J4,J5 và J6,J7. Khớp J2 nghiêng và hai khớp các-đăng thụ động quanh nĩ ngăn cản chuyển động xoay tương đối giữa hai khâu L1 và L2 quanh trục dọc. Hình 9 : Sơ đồ động học đơn giản hĩa Khơng gian hoạt động của cơ cấu được vẽ như Hình 11 với tâm hình cầu là tâm xoay của khớp, S là đầu của khâu kế tiếp. Sự hình thành khơng gian hoạt động tổng cĩ thể được giải thích như sau: đầu tiên, nếu cố định 1 và thay đổi 2, ta thu được khơng gian hình nĩn nhỏ, thay đổi 1, ta thu được khơng gian hình nĩn lớn. Vì vậy, khơng gian tổng chính là hình nĩn lớn tạo thành bằng cách xoay cạnh ngồi hình nĩn nhỏ. Rõ ràng khơng gian hoạt động của cơ cấu nhỏ hơn so với cơ cấu 2 bậc tự do bình thường (tồn khớp bản lề) nhưng cĩ khả năng tạo chuyển động 2 bậc tự do khơng xoay quanh trục z giống như chuyển động con người. và lần lượt là kinh độ và vĩ độ của điểm S. Hình10: Khơng gian hoạt động cầu của cơ cấu bẻ lái Trên robot đường ống, cơ cấu bẻ lái được mơ tả chi tiết tại Hình 11 dưới đây Hình 11 : kết cấu của cơ cấu bẻ lái. Cơ cấu bẻ lái ở Hình 11 là một khớp nối cĩ hai bậc tự do, trong đĩ mỗi chuyển động tự do được thực hiện nhờ một cặp chuyển động của hai motor và hai bộ ly hợp điện từ. Cơ cấu bẻ lái như Hình 11 cĩ một hệ thống bánh răng truyền động, khớp các-đăng nối trục trong và ngồi để liên kết các bộ phận của cơ cấu lại. Nếu khơng cĩ các khớp các-đăng này, hai bán cầu luơn quay tự do với nhau trên bạc đạn nằm nghiêng một gĩc so với mặt phẳng vuơng gĩc của các trục bánh răng. 7. KẾT LUẬN Robot đường ống do chúng tơi chế tạo cĩ khả năng làm việc trên những đoạn dường ống cong 900 và cong dạng chữ T. Nhờ cĩ cơ cấu lị xo trong cụm dẫn động và cụm dẫn hướng nên các bánh xe luơn bám lên bề mặt đường ống khá đều làm cho robot di chuyển nhẹ và êm. 8. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]Nguyễn Ngọc Cẩn. Kỹ thuật điều khiển tự động. NXB Đại Học Quốc Gia Tp.HCM, (2000) [2]Nguyễn Hữu Lộc. Cơ sở thiết kế máy. NXB ĐHBK TP.HCM [3]TS.Lê Hồi Quốc, Chung Tấn Lâm. Nhập mơn robot cơng nghiệp. NXB Khoa học và Kĩ thuật, (2002) [4]Ngơ Diên Tập. Lập trình ghép nối máy tính trong Windows. NXB Khoa học và Kĩ thuật, (1997) [5]Trần Văn Uẩn. Bài tập cơ học lý thuyết. NXB ĐHBK TP.HCM. [6]Richard S.Wright JR, Michael Sweet . OpenGL Superbible. Waite Group Press. [7]Robert N.Bateson. Introduction to Control System Technology. Macmilian Publishing Company, New York, 1989 [8]www.msdn.microsoft.com/library