..

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

1


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

2


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 được gửi lời cảm ơn trân trọng và sâu sắc nhất đến GS.TSKH. Đỗ
Sanh và PGS.TS Phan Bùi Khôi là những người đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn
tơi trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài này.
Trong thời gian học tập, cũng như việc nghiên cứu luận văn đã được sự hướng
dẫn tận tình của các thầy cô giáo trong các Bộ môn của Trường Đại học Bách Khoa
Hà Nội. Nhân dịp này cho tôi gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô giáo đã tận tình giúp
đỡ và hướng dẫn.
Tuy nhiên dù đã có rất nhiều cố gắng nỗ lực của bản thân, song luận văn
khơng thể tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế. Kính mong nhận được những ý
kiến đóng góp bổ ích từ các thầy cô giáo, cùng các bạn đồng nghiệp giúp cho luận
văn được hoàn chỉnh hơn nữa để hạn chế bớt thiếu sót.
Hà Nội, ngày


tháng

Tác giả luận văn

Hà Thanh Hải

3

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 dưới cống ngầm
Chuyên ngành: Chế tạo máy
Tôi xin cam đoan, đây là luận văn của riêng tơi. Các số liệu và kết quả trình
bày trong luận văn là do tôi phát triển, và chưa từng được cơng bố trong bất kì một
tài liệu nào.
Hà Nội, ngày

tháng

Tác giả luận văn

Hà Thanh Hải

4


năm 2011


MỤC LỤC
Trang
LỜI CẢM ƠN……………………………………………………………..........

1

LỜI CAM ĐOAN……………………………………………………………....

2

BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ……………………………

5

PHẦN MỞ ĐẦU…………………………………………………………….....

7

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT DỌN RÁC DƯỚI CỐNG NGẦM…..

10

1.1. Đặc điểm hệ thống cống ngầm và các nguyên nhân gây tắc cống
làm úng ngập ở các thành phố Việt Nam……………………………

10


1.2. Các loại robot kiểm tra, làm sạch, thông tắc, sửa chữa đường ống,
cống ngầm trên thế giới và ở nước ta………......................................

12

1.2.1. Một số loại robot kiểm tra đường ống, cống ngầm trên
thế giới và ở nước ta………………………………………

12

1.2.2. Một số loại robot làm sạch, thông tắc, sửa chữa đường ống,
cống cống ngầm trên thế giới………………………............... 13
1.3. Yêu cầu thiết kế và tính năng của Robot di động làm việc dưới
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 và chế tạo………………………………......

20

CHƯƠNG II: ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC ROBOT DỌN RÁC DƯỚI CỐNG NGẦM

21

2.1. Động học và động lực học phần xe của Robot dọn rác dưới
cống ngầm………………………………………………………

21

2.1.1. Động học phần xe của Robot dọn rác dưới cống ngầm……... 21
2.1.2. Động lực học phần xe của Robot dọn rác dưới cống ngầm…. 31
2.2. Động học và động lực học cánh tay máy của Robot dọn rác dưới
cống ngầm………………………………………………………....

5

33


2.2.1. Động học cánh tay máy của Robot dọn rác dưới cống ngầm..

33

2.2.2. Động lực học cánh tay máy Robot dọn rác dưới cống ngầm... 40

CHƯƠNG III:TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ ROBOT DỌN RÁC DƯỚI
CỐNG NGẦM………................................................................

54

3.1. Tính tốn thiết kế môđun di chuyển cho Robot dọn rác dưới công
ngầm……………………………………………………………….

54

3.1.1. Xác định lực kéo và công suất cần thiết cho cơ cấu di
chuyển Robot……………………………………………..

54

3.1.2. Tính tốn thiết kế bộ truyền xích cho môđun di chuyển
của Robot………………………………………………….. 62
3.1.3. Xác định lực kéo và công suất cần thiết cho cơ cấu di
chuyển Robot……………………………………………….

66

3.1.4. Tính tốn chọn ổ lăn cho mơđun di chuyển của Robot….......

72

3.2. Tính tốn và thiết kế cánh tay máy Robot dọn rác dưới cống
ngầm……………………………………………………............ 74
3.2.1. Tính tốn các khớp quay của cánh tay máy Robot…………..


74

3.2.2. Tính tốn thiết kế các khâu của cách tay máy Robot dọn
rác dưới cống ngầm………………………………………... 96
3.2.3. Tính ổn định Robot khi cánh tay máy làm việc và khi
di chuyển...................................................................... 111
3.3. Tính tốn thiết kế thiết bị ủi của Robot……………………………... 120
3.3.1. Xác định lực tác dụng lên Robot khi ủi................................... 120
3.3.2. Tính sức bền khung ủi của thiết bị ủi……………………...... 125
3.2.3. Tính ổn định Robot khi ủi…………………………………… 130
3.4. Các thông số kỹ thuật của Robot dọn rác dưới 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

6


BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Thứ tự

Nội dung của hình vẽ

Hình 1.1

Mặt cắt cống ngầm tại khu phố Hàng Tre thành phố Hà Nội

Hình 1.2


Hệ thống cống ngầm tại 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 các robot khảo sát đường ống, cống ngầm của thế giới

Hình 1.5

Ảnh các robot khảo sát đường ống, cống ngầm tại Việt Nam

Hình 1.6

Ảnh Robot làm sạch đường ống kim loại

Hình 1.7

Ảnh mơ hình Robot khắc phục sự cố các đoạn ống bị hư hại từ bên
trong, của Đại học California tại Irvine (Mỹ)

Hình 1.8

Ảnh Robot vớt và thu gom rác bên trong cống ngầm

Hình 1.9

Ảnh Robot thơng tắc ống kim loại


Hình 1.10 Ảnh Robot dọn rác dưới cống ngầm
Hình 1.11 Mơ hình tổng thể Robot dọn rác dưới cống ngầm
Hình 2.1

Động học thân xe

Hình 2.2

Mơ hình vận tốc của một bánh

Hình 2.3

Vận tốc của các bánh xe và Robot

Hình 2.4

Quỹ đạo chuyển động của Robot

Hình 2.5

Sơ đồ mơmen lực phát động

Hình 2.6

Mơ hình động lực học của mỗi 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 của hệ và vị trí trọng tâm
Hình 2.11 Các lực tác dụng (khơng vẽ trọng lực)
Hình 3.1

Sơ đồ xác định các 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 và kết cấu trục 1

7


Hình 3.4

Sơ đồ lực trong mặt phẳng đứng tác dụng lên khớp quay 1


Hình 3.5

Sơ đồ lực trong mặt phẳng đứng tác dụng lên khớp quay 4

Hình 3.6

Sơ đồ lực trong mặt phẳng đứng tác dụng lên khớp quay 3

Hình 3.7

Sơ đồ lực trong mặt phẳng đứng tác dụng lên khớp quay 2

Hình 3.8

Sơ đồ lực tác dụng lên khớp quay 1 khi nghiêng một góc α

Hình 3.9

Sơ đồ lực tác dụng lên cánh tay Robot ở vị tri tính tốn

Hình 3.10 Sơ đồ tính sức bền khâu 4 của cánh tay Robot
Hình 3.11 Mặt cắt ngang tiết diện A-A
U

Hình 3.12 Sơ đồ tính sức bền khâu 3 của cánh tay Robot
Hình 3.13 Mặt cắt ngang tiết diện B-B
U

Hình 3.14 Sơ đồ tính sức bền khâu 3 của cánh tay Robot
Hình 3.15 Mặt cắt ngang tiết diện C-C

U

Hình 3.16 Sơ đồ tính sức bền khâu 1 của 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 khi Robot đang đào, tích rác
Hình 3.19 Sơ đồ tính ổn định Robot khi di chuyển lên dốc
Hình 3.20 Sơ đồ tính ổn định Robot khi xuống dốc
Hình 3.21 Sơ đồ lực tác dụng lên Robot khi ủi
Hình 3.22 Sơ đồ xác định trọng lương của thiết bị ủi
Hình 3.23 Sơ đồ lực ở cơ cấu nâng thiết bị ủi
Hình 3.24 Sơ đồ lực tác dụng lên thiết bị ủi của Robot khi ủi
Hình 3.25 Lực tác dụng lên khung ủi của thiết bị ủi
Hình 3.26 Sơ đồ ổn định Robot ở vị trí bàn ủi bắt đầu ấn sâu dao cắt vào rác.
Hình 3.27 Sơ đồ tính ổn định của Robot ở vị trí bàn ủi được nâng lên ở cuối q
trình đào trước bàn ủi đã được tích đầy rác.

8


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn việc dùng robot thay thế con người để thông tắc
cống ngầm là hết sức cần thiết. Việc này nhằm giải quyết các vấn đề về môi trường
cũng như các vấn đề an toàn lao động cho con người trong môi trường độc hại.
Hầu hết các thành phố của nước ta có mật độ dân số rất đông, khối lượng
rác thải ra hệ thống cống ngầm hàng ngày rất lớn. Vì khí hậu nhiệt đới ẩm nên
lượng mưa hàng năm là rất lớn, đặc biệt vào mùa mưa. Khi các cống ngầm bị
tắc sẽ gây tình trạng ngập úng, dẫn đến nước bẩn và rác thải ứ đọng gây mất vệ

sinh môi trường.
Môi trường dưới cống rất độc hại gồm nhiều loại virus, siêu vi trùng, nhiều
chất hóa học ơ nhiễm nặng,... nên sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến người cơng nhân dọn
rác và thơng cống. Vì kích thước, hình dạng của cống rất đa dạng, từ nhỏ đến lớn,
nên con người rất khó để trực tiếp chui vào cống làm việc thông tắc. Trong môi
trường nước bẩn con người không thể quan sát được, nhưng với camera hồng ngoại
robot có thể quan sát được.
2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của luận văn, đối tượng phạm vi nghiên cứu
Luận văn đưa ra giải pháp ứng dụng Robot trong việc thông tắc cống ngầm,
cho các hệ thống thốt nước ngầm ở các đơ thị, thành phố của Việt Nam.
Luận văn đưa ra cấu trúc tổng thể của Robot, tính tốn và thiết kế phần cơ của
Robot và tập trung chủ yếu vào việc thiết kế hệ thống dẫn động cho Robot dọn rác
dưới cống ngầm.
3. Luận điểm cơ bản và đóng góp mới của luận văn
Đưa ra một loại Robot dọn rác dưới cống ngầm mới; đặc biệt là hệ thống cơ
khí (hệ thống dẫn động) của Robot dọn rác dưới cống ngầm, kèm theo một giải
pháp thông tắc cống ngầm bằng Robot.

9


4. Phương pháp nghiên cứu
Đưa ra giải pháp và bản thiết kế hợp lý cho loại Robot di động này
* Khảo sát các hệ thống cống ngầm và các loại rác thải.
Khảo sát các loại cống ngầm, và các kiểu rác gây tắc cống, các trường hợp
cống tắc cần thông.
Các loại cống: về hình dáng: thơng thường là cống hình trịn, hoặc vng hoặc
hình chữ nhật. Về kích thước: từ đường kính 0,5 mét đến vài mét.
Các kiểu rác gây tắc cống: có thể phân làm các loại: rác mềm dạng dây, xơ,
nilon, dây kim loại...; rác cứng như gạch đá, rác bùn đất. Thông thường cống tắc do

hỗn hợp rác này gây nên.
* Lựa chọn, đưa ra mơ hình cho Robot dọn rác dưới cống ngầm.
Môi trường dưới cống ngầm thường rất bẩn, gồm nhiều loại rác thải khác nhau.
Vì vậy cần thiết kế Robot có module di chuyển có thể di chuyển trên các dạng
cống ngầm khác nhau, có module chấp hành có thể dọn, thơng tắc nhiều loại rác, và
có module quan sát để có thể quan sát được dưới môi trường của cống ngầm, đồng
thời Robot phải chịu được môi trường rất ô nhiễm dưới cống ngầm.
Module di chuyển là một Robot di chuyển có 4 bánh, được dẫn động nhờ 2
động cơ 1 chiều 24V (để đảm bảo an toàn, nếu dùng điện xoay chiều sẽ nguy hiểm).
Modun di động được lái cứng, vì trong các cống ngầm, đường cống chủ yếu là
thẳng, nên Robot khơng cần xoay và chuyển hướng nhiều, tính năng chủ yếu của
module di chuyển là khả năng bám, chống trơn trượt, vì thế 4 bánh cần được dẫn
động.
Yêu cầu của module di chuyển: phải thích nghi với nhiều loại cống có hình
dạng khác nhau, đi được trên địa hình của cống, địa hình này có đặc tính trơn trượt,
chịu được nước vì thế cần đảm bảo kín khít, chống gỉ.
Module chấp hành: gồm hai bộ phận. Một là gầu xúc, để xúc và ủi bùn, rác,
gầu xúc có hai bậc tự do: nâng gầu, xoay gầu. Hai là cánh tay Robot, cánh tay có 4
bậc tự do, dùng cho việc thông tắc những loại rác mà không ủi được bằng cách: gắp
rác, cắt rác, xúc rác…

10


Yêu cầu của module chấp hành: có khả năng dọn nhiều loại rác thải trên thực
tế, đảm bảo chịu nước, độ an toàn cao,... Khảo sát các cánh tay Robot rồi lựa chọn.
* Nội dung thiết kế Robot dọn rác dưới cống ngầm
- Xác định nguyên tắc hoạt động và chế độ làm việc của Robot được thiết kế.
- Lập sơ đồ chung toàn Robot và các bộ phận Robot - trong đó kết cấu đã được
đơn giản hóa, các lực tác dụng được coi như tập trung hoặc phân bố theo một quy

luật nào đó
- Xác định trị số và đặc tính tải trọng tác dụng lên các bộ phận Robot.
- Chọn vật liệu thích hợp nhằm sử dụng tính chất đa dạng và khác biệt của vật
liệu để nâng cao hiệu quả và độ tin cậy làm việc của Robot.
- Tiến hành tính tốn về động học, động lực học và tính tốn thiết kế nhằm
định ra các kích thước gần đúng của chi tiết Robot thỏa mãn các chỉ tiêu chủ yếu về
khả năng làm việc của chúng, trên cơ sở đó kết hợp các yêu cầu về tiêu chuẩn hóa,
lắp ghép, cơng nghệ và các u cầu về kết cấu để xác định lần cuối kích thước của
chi tiết Robot, bộ phận Robot và toàn bộ Robot.
Thiết kế chi tiết Robot tiến hành tính tốn sơ bộ và sau đó kiểm nghiệm lại:
Phải dùng bước tính sơ bộ để định kích thước một cách gần đúng, rồi vẽ kết cấu chi
tiết Robot, tính chính xác trị số ứng suất và tiến hành kiểm nghiệm. Nếu tính toán
kiểm nghiệm cho thấy ứng suất sinh ra trong chi tiết Robot bằng hoặc gần bằng ứng
suất cho phép, việc thiết kế được coi là hoàn thành. Nếu ứng suất sinh ra nhỏ hơn
ứng suất cho phép khá nhiều, cần phải thay đổi kết cấu và kích thước rồi kiểm
nghiệm lại cho tới khi nào phù hợp. Thường tiến hành kiểm nghiệm theo hệ số an
toàn, xem hệ số an tồn của chi tiết Robot được thiết kế có gần với hệ số an tồn
cho phép khơng.
- Lập thuyết minh.

11


CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ ROBOT DỌN RÁC DƯỚI CỐNG NGẦM
1.1. Đặc điểm hệ thống cống ngầm và các nguyên nhân gây tắc cống làm úng
ngập ở các thành phố Việt Nam
Hệ thống cống ngầm của thành phố Hà Nội, cũng như các đô thị Việt Nam
được xây dựng ở nhiều thời điểm khác nhau với quy hoạch, thiết kế thiếu tính đồng
bộ và tổng thể: “Các tuyến cống ngầm được xây dựng và bổ sung chắp vá, có tổng

chiều dài ngắn hơn nhiều so với chiều dài phố, ngõ xóm. Nhiều tuyến cống ngầm
có độ dốc kém, bùn cặn lắng nhiều, làm môi trường bị ô nhiễm. Nhiều tuyến cống
ngầm lại khơng đủ tiết diện thốt nước hay bị phá hỏng, xây dựng lấn chiếm, gây
úng ngập cục bộ. Úng ngập thường xuyên xảy ra vào mùa mưa”.

Hình 1.1: Mặt cắt cống ngầm tại khu phố Hàng Tre thành phố Hà Nội

Hình 1.2: Hệ thống cống ngầm tại thành phố Hồ Chí Minh ngày 10/10/2005
Mặc dù hệ thống cống ngầm vẫn được tu sửa, nâng cấp hàng năm nhưng
không theo kịp đà phát triển dân số nhanh. Hàng ngày 6,9 triệu dân của thành phố

12


Hà Nội thải 690.000 m3 nước sinh hoạt rồi đổ ra hệ thống nước thải, trong đó một
P

P

lượng lớn nước thải chảy qua cống ngầm đổ ra sông. Hệ thống cống đã xuống cấp
và lạc hậu càng ngày càng giảm tiết diện dịng chảy do nước thải khơng đủ thời gian
để chảy ra sông, gây ngưng đọng làm úng lụt cục bộ làm môi trường bị ô nhiễm.
Trong những năm gần đây tốc độ phát triển đô thị ngày càng tăng: Các cơng
trình kiến trúc đẹp đang được xây dựng nhiều, đường phố đang được tu sửa mở
rộng. Nhưng mỗi trận mưa to, nước cuốn trôi bùn đất và rác từ các công trường
đang thi công đổ xuống các hệ thống thoát nước của các cống rãnh bị tắc ngẽn nếu
các cống không được khơi thông kịp thời sẽ làm cả tuyến phố bị ngập úng gây ách
tắc giao thông, nước bẩn tràn bùn đất vào nhà làm mất vệ sinh gây bệnh tật.

Hình 1.3: Đầu đường Điện Biên Phủ Hà Nội

trận mưa sang ngày 3/7/2010. Ảnh Khắc Hường
Thới gian qua do ý thức chưa cao của những hộ sống dọc theo các hệ thống
thoát nước, thường tùy tiện thải đủ loại phế phẩm như: Rác sinh hoạt, chiếu rách, túi
nylon, dép, lốp xe máy hỏng, mảnh chai lọ, bàn ghế… xuống hệ thống thốt nước,
gây ách tắc dịng chảy nói chung và làm tắc cống ngầm nói riêng. Rác thải ứ đọng
gây mất mỹ quan, ô nhiễm môi trường sống của người dân khu vực.
Dù nhận thức được tính chất nghiêm trọng của tắc cống hệ thống cống ngầm,
các cơ quan chức năng của thành phố vẫn không khắc phục được kịp thời hệ thống
cống ngầm do rất khó tiếp cận những chỗ cống bị tắc. Cách thức được áp dụng hiện
nay người chui xuống hoặc đào đường ở những khu vực bị nghi ngờ cống bị tắc,
phương pháp này rất bị động và hao tiền tốn của. Đó là chưa kể có những khu vực
khơng thể đào hầm được vì nhiều lý do. Vậy vấn đề trở nên cấp thiết với các nhà

13


khoa học Việt Nam là phải nghiên cứu thiết kế ra một loại robot dọn rác dưới cống
ngầm để khơi thơng dịng chảy để giải phóng sức lao động của con người, tránh
cho những người công nhân phải làm việc nặng nhọc trong môi trường ô nhiễm.
1.2. Các loại robot kiểm tra, làm sạch, thông tắc, sửa chữa đường ống, cống
ngầm trên thế giới và ở nước ta
1.2.1. Một số loại robot kiểm tra đường ống, cống ngầm trên thế giới và ở nước ta
Robot dùng để kiểm tra thực trạng đường ống, cống ngầm, robot có thể vào
được các ngóc ngách nhỏ nhất trong hệ thống ống, cống ngầm mà con người không
thể vào được. Môđun quan sát cho ta thấy được tồn bộ khơng gian bên trong lịng
ống từ các chi tiết nhỏ đến đường kính ống là bao nhiêu chất liệu ống bằng bê tông
hay sắt thép. Phát hiện các lỗi kỹ thuật rất chính xác những chỗ nào lòng ống gặp sự
cố: bị mòn, bị rơi bê tông, đoạn nào ống bị vỡ, vết nối bị lệch… Nhờ đó người ta có
thể xác định chính xác vị trí cống ngầm mỗi khi gặp sự cố.
Cấu trúc tổng thể của loại robot này gồm 3 môđun: môđun di chuyển, mơđun

quan sát, và mơđun điều khiển.

Hình 1.4: Ảnh các robot khảo sát đường ống, cống ngầm của thế giới

14


Hai loại robot kiểm tra cống ngầm được nhập bởi cơng ty thốt nước đơ
thị thành phố Hồ Chí Minh

Robot kiểm tra hệ thống cống ngầm,
được nghiên cứu chế tạo tại

Robot Triton dùng để khảo sát
hệ thống cống ngầm lắp ráp tại
thành phố Hải Phịng

thành phố Bn Ma Thuột

Hình 1.5: Ảnh các robot khảo sát đường ống, cống ngầm tại Việt Nam.
1.2.2. Một số loại robot làm sạch, thông tắc, sửa chữa đường ống, cống cống
ngầm trên thế giới
Nhiều hệ thống ống, cống ngầm con người không thể vào trong thao tác khắc
phục sự cố được nhưng robot có thể di chuyển đến mọi nơi và thao tác một cách dễ
dàng. Robot được đặt vào hệ thống ống, cống ngầm, di chuyển bên trong ống, cống
ngầm cho đến khi phát hiện được đoạn ống, cống ngầm có vấn đề hay sự cố, môđun
công tác của robot sẽ tiến hành làm việc để khắc phục sự cố:
Với đoạn ống thép bị hen gỉ, môđun công tác sẽ tiến hành làm sạch và sơn lại.
Với các đoạn sung yếu hay những điểm hư hại, môđun công tác sẽ tiến hành
đặt miếng dán làm từ vật liệu có khả năng gia cố bên trong đường ống.

Với các đoạn cống ngầm mà bên trong có nhiều rác thải trơi nổi trên mặt nước
thì mơđun công tác sẽ vớt và thu gom lại tránh cho cống khỏi bị tắc.

15


Với đoạn cống ngầm bị tắc do đất cát, rác thải được môđun công tác sẽ tiến
hành cắt, dọn rác cho đến cống khơng bị tắc và dịng chảy được khơi thông.
Cấu trúc tổng thể của loại robot này gồm 4 môđun: môđun di chuyển, môđun
quan sát, môđun công tác và mơđun điều khiển.

Hình 1.6: Ảnh Robot làm sạch đường ống kim loại

Hình 1.7: Ảnh mơ hình Robot khắc phục sự cố các đoạn ống
bị hư hại từ bên trong, của Đại học California tại Irvine (Mỹ)

Hình 1.8: Ảnh Robot vớt và thu gom rác bên trong cống ngầm

16


Hình 1.9: Ảnh Robot thơng tắc ống kim loại

Hình 1.10: Ảnh Robot dọn rác dưới cống ngầm
1.3. Yêu cầu thiết kế và tính năng của Robot di động làm việc dưới hệ
thống cống ngầm
Từ những khảo sát và phân tích, căn cứ vào yêu cầu chức năng của Robot dọn
rác dưới cống ngầm, tơi đưa ra cấu hình của Robot dọn rác dưới cống ngầm gồm:
Các điều kiện kỹ thuật trong cống mà Robot cần đáp ứng gồm: di chuyển dễ,
thích nghi địa hình các loại cống, giới hạn kích thước của các cống (axb hình chữ nhật ≥

R

R

680x650 mm , Φhình trịn ≥ 1300 mm), có tay thao tác với nhiều loại rác, có thể ủi bùn
R

R

đất, có thể quan sát và điều khiển dễ dàng. Phải kín khít, chịu nước, chịu được môi
trường khắc nghiệt. Chưa đặt ra yêu cầu về năng suất.

17


Mục đích của việc nghiên cứu và thiết kế mẫu Robot di động làm việc dưới
cống ngầm là đưa vào phục vụ sản xuất trong môi trường độc hại và khơng an tồn
đối với con người. Cụ thể trong đề tài này Robot được sử dụng để thay thế cho
người lao động trong việc thông, dọn dẹp và làm sạch các hệ thống cống ngầm
chính, đảm bảo lưu thơng dịng chảy tốt. Robot phải làm việc trong môi trường với
lớp bùn dày, có khả năng chống chịu được nước, làm việc liên tục trong thời gian
dài và trong môi trường sáng tối khác nhau. Mặt khác Robot phải có khả năng của
máy ủi để dọn bùn và cánh tay thao tác để dọn dẹp rác thải.
Cấu trúc tổng thể của Robot gồm 4 môđun cơ bản sau:
- Môđun di chuyển: có khả năng chuyển động thẳng tiến, lùi, và chuyển hướng
trên nền bùn ướt. Đồng thời có khả năng mang tải trọng lớn, không bị trơn trượt khi
di chuyển và được điều khiển thông qua cáp kết nối theo hai chế độ tự động và bằng
tay. Điều khiển tự động được sử dụng trong quá trình Robot thực hiện di chuyển
theo quỹ đạo định sẵn; còn điều khiển bằng tay dùng để di chuyển Robot tới vị trí
thao tác cơng nghệ. Để nâng cao độ ổn định của Robot trong quá trình di chuyển, ở

chế độ điều khiển bằng tay, các thao tác di chuyển Robot như tiến, lùi, rẽ trái, rẽ
phải,… đều có thể thực hiện ở 3 cấp tốc độ khác nhau: nhanh (F- Fast), trung bình
(N- Normal) và chậm (S- Slow).
- Môđun công tác (Về bản chất là một cánh tay Robot 4 bậc tự do - Multi body
Robot, có cấu trúc động học hở, dạng cây và một gầu xúc sử dụng cơ cấu 4 khâu):
Phần cánh tay thực hiện công việc thu dọn các rác thải rắn, gây cản trở dịng chảy,
có khả năng di chuyển khâu cuối (khâu thao tác công nghệ) trong không gian thao
tác tương đối rộng so với vị trị của phần thân Robot. Tồn bộ hoạt động của modul
cơng tác cũng được điều khiển từ xa với hai chế độ: tự động và bằng tay. Hai chức
năng điều khiển này tương tự như đối với modul di chuyển. Phần gầu xúc được điều
khiển bằng khí nén, sử dụng van khí 3 trạng thái, cho phép điều khiển gầu xúc nâng,
hạ và dừng ở vị trí trung gian theo yêu cầu điều khiển.
- Mơđun điều khiển: Các bộ phận chính bao gồm 6 driver cho 6 động cơ servo
và bộ điều khiển trung tâm được thiết kế lắp đặt ngay bên trong Robot. Robot được

18


kết nối với máy tính thơng qua cáp. Robot được thiết kế để có thể điều khiển bằng
máy tính hoặc bằng tay sử dụng gamepad. Dựa trên yêu cầu về chế độ điều khiển
cũng như những thông số cụ thể về đặc tính động học và động lực học đối với
Robot, từ đó tiến hành tính tốn thiết kế và lập trình điều khiển cho từng mơđun cụ
thể. Sau đó được tích hợp để tạo ra hệ thống mạch điều khiển chung cho tồn bộ
hoạt động của Robot.
- Mơđun quan sát: Gồm có một camera quan sát (loại thơng thường hoặc hồng
ngoại – khi làm việc trong điều kiện môi trường ánh sáng yếu), truyền tín hiệu hình
ảnh của đối tượng quan sát về thiết bị điều khiển từ xa. Đồng thời giúp cho việc
điều khiển bằng tay di chuyển Robot được thuận lợi, dễ dàng, cũng như cho phép
giám sát quá trình làm việc tự động của Robot một cách chặt chẽ và với độ tin cậy
cao. Để tăng độ linh hoạt cho camera, ta sử dụng thêm hai động cơ, giúp cho

camera có thể quay theo nhiều hướng và góc độ khác nhau.
Theo yêu cầu đặt ra như trên, trước tiên cần tìm hiểu một số loại robot có các
tính năng tương tự đã có trên thế giới để đưa ra cách chọn lựa và xây dựng cấu trúc
một cách phù hợp nhất.
1.4. Phân tích lựa chọn cấu trúc tổng thể mẫu Robot
1.4.1. Môđun di chuyển
- Robot dạng chân: Robot di chuyển bằng chân là loại Robot có những chuyển
động phức tạp bằng cách rời rạc hoá việc tiếp xúc với mặt đất theo các điểm. Việc
chuyển động như vậy làm cho Robot này có ưu thế trên các địa hình phức tạp, gồ
ghề và khơng liên tục. Đồng thời bằng cách thay đổi chiều dài của các chân cho phù
hợp với môi trường nên Robot di chuyển rất êm. Tuy nhiên loại Robot này rất khó
điều khiển và chế tạo, tốc độ di chuyển chậm và khả năng mang tải không cao.
- Robot dạng bánh xe: Phần lớn mobile Robot dùng bánh xe để di chuyển do
bánh xe dễ điều khiển, thơng dụng và có tính kinh tế. Loại Robot này dễ di chuyển
trên địa hình phức tạp, tốc độ nhanh và khả năng mang tải lớn.
- Robot dạng bánh xích: Loại Robot này chuyển động bằng các bánh xích
giống như xe tăng, rất phù hợp khi di chuyển trên các địa hình phức tạp. Để đổi

19


hướng, nó thay đổi tốc độ quay của 2 bánh xích chuyển động. Tuy nhiên do chuyển
động bằng bánh xích khi đổi hướng sẽ xảy ra hiện tượng trượt, do đó khó điều khiển
chính xác. Một vấn đề nữa là Robot này rất dễ làm hỏng bề mặt của nền, đặc biệt
khi chuyển hướng. Mặt khác do kiểu xích này rất đắt nên sẽ khơng có lợi về mặt
kinh tế khi chế tạo loại Robot này.
- Robot dạng chân kết hợp với bánh: Linh hoạt, dễ di chuyển trên nhiều địa
hình phức tạp. Tuy nhiên do vẫn ảnh hưởng của kết cấu chân nên khả năng mang tải
khơng cao, khó chế tạo và điều khiển.
Từ yêu cầu thực tiễn đặt ra và qua sự phân tích ở trên, ta nhận thấy việc chọn

kết cấu Robot địa hình dạng bánh xe là phù hợp.
1.4.2. Môđun công tác
Môđun công tác gổm cánh tay máy và thiết bị ủi:
1. Cánh tay máy Robot
Do có phần thân di động và điều kiện làm việc trong không gian hẹp nên cánh
tay thao tác không cần có nhiều bậc tự do. Theo yêu cầu thực tế nhận thấy cánh tay
Robot với 4 bậc tự do là đủ để đáp ứng yêu cầu. Điều cần quan tâm nữa là kết cấu
của các khớp như thế nào (các khâu liên kết với nhau bằng khớp quay hay tịnh tiến).
Với cấu trúc 4R (toàn khớp quay), tay máy tương đối linh động, khả năng thay đổi
vị trí cơng tác nhanh, vì thế ta lựa chọn sử dụng kết cấu này.
Cánh tay máy Robot là cơ cấu 4 khâu đơn giản dùng để cắt rác, gắp rác, xúc
rác… nên khâu cuối của cánh tay thao tác có dạng một gầu xúc.
Để cánh tay làm việc được dùng động cơ điện một chiều 24 V là nguồn tạo
động lực chuyển động cho khớp. Hệ thống dẫn động cho các khớp của cánh tay là
bộ truyền bánh răng sóng (hộp giảm tốc Harmonic) làm việc êm, có tỷ số truyền
cao, độ chính xác cao, các cơ cấu quay có qn tính nhỏ và tác động nhanh trong hệ
thống điều khiển và được dùng để giảm vận tốc góc và tăng mơmen xoắn từ động
cơ đến khớp quay.

20


2. Thiết bị ủi của Robot
Thiết bị ủi được lắp trên môđun di chuyển của Robot. Robot vừa di chuyển
vừa dùng thiết bị ủi cắt rác, thu gom rác và mang lượng rác đó ra khỏi hệ thống
cống ngầm.
Thực chất thiết bị ủi là một bàn ủi được lắp với khung ủi và nhanh chống xiên.
Nguồn động lực cung cấp cho thiết bị ủi làm việc cung cấp bằng thủy khí. Dùng
thủy khí thì cho phép cung cấp lực lớn, tốc độ đáp ứng có thể điều khiển tùy theo
van tiết lưu, và góc làm việc có thể điều khiển được nhờ sử dụng van 3 trạng thái.

Tuy nhiên, nếu dùng xy lanh thủy lực thì ta phải bố trí thêm một bơm thủy lực có
kích thước khá lớn lên phần thân, làm tăng kích thước của Robot, điều này là khá
bất lợi. Trong khi đó, Robot được thiết kế để cấp năng lượng và điều khiển bằng
cáp nối từ trên bờ tới Robot, vì thế ta có thể cung cấp thêm một đường dẫn khí kèm
theo dây cáp đó. Cách bố trí này cho phép nguồn cung cấp năng lượng cho động cơ
và nguồn động lực cho xy lanh được đảm bảo ổn định.
1.4.3. Môđun điều khiển
Trong nội dung đồ án, tập trung chủ yếu vào phần tính tốn và thiết kế cơ khí,
vì thế ở đây, ta chỉ đề cập đến cách lựa chọn, vị trí bố trí môđun điều khiển trên
Robot mà thôi.
Do số lượng driver dây nối khá lớn (6 driver cho 6 động cơ), và do yêu cầu
bảo vệ, chống nước cho các driver này cùng mạch điều khiển chính, nên có hai
phương án được đưa ra. Một là đặt tất cả driver và mạch điều khiển trên bờ và dùng
dây cáp để truyền xuống điều khiển Robot. Với phương án này, do mỗi động cơ và
driver của nó sử dụng 2 dây nối, mỗi dây có đường kính 8 mm, như thế chỉ riêng 6
động cơ gắn trên thân Robot đã dùng tới 12 dây, nếu bó lại thành cáp thì đường
kính cáp đó cũng vào cỡ 35 mm, chưa kể đến dây dẫn khí và dây điều khiển. Kéo
theo một chiếc cáp như thế theo thân Robot là rất bất hợp lý. Phương án hai được
đưa ra là đặt tất cả các driver trên thân Robot, khi đó từ trên bờ cấp xuống chỉ cần
dùng 3 sợi dây là dây nguồn, dây dẫn khí và dây điều khiển, như vậy kích thước của
cáp sẽ nhỏ đi, hợp lý hơn. Cách bố trí này thuận tiện cho việc dẫn dây, nhưng lại

21


gây khó khăn trong việc bố trí các driver trên thân Robot và đồng thời đặt ra yêu
cầu chống nước cao cho phần thân Robot, tuy nhiên phần này hoàn tồn có thể thiết
kế đáp ứng được.
1.4.4. Mơđun quan sát
Do điều kiện làm việc dưới cống ngầm nên điều kiện ánh sáng khơng tốt, vì

thế để đảm bảo quan sát tốt, ta phải bố trí thêm đèn chiếu sáng, và sử dụng camera
có chức năng hồng ngoại. Để đảm bảo quan sát thuận lợi, cách bố trí tốt nhất là làm
sao camera và đèn ln cùng hướng về vị trí như nhau. Ở đây, với mục đích làm
tăng độ linh hoạt của camera, giúp quan sát tới nhiều vị trí được, ta thiết kế camera
và giá đỡ có 3 bậc tự do, cho phép camera có thể di chuyển lên xuống, quay 3600
P

P

quanh trục Z, và có thể quay một góc 1200 trong mặt phẳng thẳng đứng. Với thiết
P

P

kế này, cho phép camera có thể hướng tới hầu hết mọi vị trí cần thao tác.
1.5. Mơ hình Robot thiết kế và chế tạo
Từ việc phân tích, lựa chọn kết cấu, kết hợp khảo sát thực tế, lựa chọn các
thiết bị phù hợp, ta xây dựng nên mơ hình tồng thể của Robot

1. Môđun di chuyển; 2. Môđun công tác
3. Môđun quan sát;

4. Mơđun điều khiển

Hình 1.11: Mơ hình tổng thể Robot dọn rác dưới cống ngầm

22


CHƯƠNG II

ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC ROBOT DỌN RÁC DƯỚI CỐNG NGẦM
2.1. Động học và động lực học phần xe của Robot dọn rác dưới cống ngầm
2.1.1. Động học phần xe của Robot dọn rác dưới cống ngầm
Khảo sát bài toán động học của xe Robot chuyển động trên mặt phẳng:
Xe Robot chuyển động trên mặt phẳng với bốn bánh đều được dẫn động, hai
bánh ở một bên được dẫn động chung nhờ 1 động cơ.

Hình 2.1: Động học thân xe
Vì thế trong bài tốn này ta xét xe Robot chuyển động trong một mặt phẳng.
Xe có khối lượng m, khối tâm Robot là C, chuyển động với vận tốc v, các kích
thước động học là a, b, c như hình 2.1. Bán kính các bánh xe của Robot là r.
Để khảo sát bài toán động học của Robot ta đưa ra các hệ qui chiếu: hệ qui
chiếu Oxyz là hệ qui chiếu quán tính được xem là hệ qui chiếu gốc, hệ qui chiếu
Cxryrzr là hệ qui chiếu không qn tính gắn với xe có gốc trùng với trọng tâm C của
Robot, hướng của trục xr trùng với hướng trục đối xứng dọc của Robot. Trong hệ
toạ độ quán tính điểm C có toạ độ C(x,y,z) với zC = const.

23


Để xác định vị trí và hướng của xe trong mặt phẳng cần ba toạ độ suy rộng đủ là

q = [x

y θ] trong đó (X, Y) là toạ độ của C và θ là góc quay của xe so với hệ
T

[

Cxryrzr. Vận tốc suy rộng là q = x


]

T
y θ

Trong hệ tọa độ gắn với xe, xe chuyển động với vận tốc dài

v = [v x

vy

0] , và quay với vận tốc góc ω = [0 0 ω] . Vì chuyển động trên
T

T

mặt phẳng nên: ω = θ
Để xây dựng được các phương trình động học cần phải đưa ra được các cách
lái cho Robot. Vì ở đây, Robot có hai bánh lái độc lập nên sự phối hợp giữa hai
bánh lái theo một qui luật, sẽ tạo nên cách lái cho Robot. Trong các cách lái thì cách
lái cả bánh trước và bánh sau với góc lái bằng nhau sẽ là có lợi nhất vì sự cản trở
q trình đổi hướng của Robot là nhỏ nhất.
Theo mơ hình trên ta có:

 x  cos θ − sin θ 0  v x 
q =  y  =  sin θ cos θ 0  v y 

0
1  θ 

 θ   0

(2.1)

Hình 2.2: Mơ hình vận tốc của một bánh
Mối liên hệ giữa vận tốc các bánh với vận tốc xe: bánh thứ i quay với vận tốc
góc là ω i và chuyển động với vận tốc dài là vi với i = 1…4, Pi là điểm tiếp xúc của
bánh xe với mặt phẳng chuyển động. Vì xảy ra hiện tượng trượt bên khi xe đổi
hướng nên vector vận tốc vi sẽ có hai thành phần: thành phần vix tiếp tuyến với bánh

24


xe (sinh ra chuyển động thẳng), thành phần viy vuông góc với vix (sinh ra chuyển
động đổi hướng).
vix = ri.ωi= r.ωi, i = 1, 2, 3, 4

(2.2)

Với ri bán kính lăn của bánh thứ i, các bánh đều chung bán kính lăn nên ri = r;
Mơ hình động học trên tiến hành đánh số các bánh theo thứ tự từ 1 đến 4, xét
xe đi trên một quĩ đạo, tại thời điểm đang xét, tâm vận tốc tức thời của xe là I, I thay
đổi theo sự chuyển động của xe. Pi là tâm của các bánh (với i =1…4). Khi đó các
vector bán kính của các bánh là d i và của xe là dC.

Hình 2.3: Vận tốc của các bánh xe và Robot
Trong hệ toạ độ gắn với Robot: I(xI,yI), di = [dix diy]T và dC = [dx dy]T nên:
P

P


P

P

v
v
v ix
v
= x = iy = y = ω
− d iy − d y d ix d x

(2.3)

vx vy
=
=ω
yI x I

(2.4)

Từ hình 2.3 có các quan hệ:
d1y = d2y = dy - c
d3y = d4y = dy + c

(2.5)

25