Thiết kế, chế tạo thiết bị thăm dò, kiểm tra đường ống có đường kính 300mm

BỘ CƠNG THƯƠNG
ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC
KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU KHOA HỌCCẤP TRƯỜNG

Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo thiết bị thăm dò, kiểm tra đường ống có
đường kính 300 mm
Mã số đề tài: 192.Đ01
Chủ nhiệm đề tài: ThS. Nguyễn Hoanh
Đơn vị thực hiện: Khoa Công Nghệ Điện

ồ


LỜI CÁM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đối với lãnh đạo nhà trường, các khoa, phòng ban, đã kết
hợp và tạo điều kiện để tơi hồn thành đề tài. Tôi cũng xin chân thành cám ơn các thành
viên trong nhóm thực hiện đề tài, phản biện đề tài đã nhiệt tình tham gia và đóng góp ý kiến
giúp tơi hồn thành đề tài đúng hạn.

1


PHẦN I. THƠNG TIN CHUNG
I. Thơng tin tổng qt
1.1. Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo thiết bị thăm dò, kiểm tra đường ống có đường

kính 300 mm

1.2. Mã số: 192.Đ01

1.3. Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực hiện đề tài
TT

Họ và tên
(học hàm, học vị)

1

Ths. Nguyễn Hoanh

Khoa cơng nghệ Điện Viết firmware hồn chỉnh với

2

TS. Ngơ Thanh Quyền

Khoa công nghệ Điện Thử nghiệm thiết bị trong điều

3

Ths. Nguyễn Đức Tồn

Khoa cơng nghệ Điện Lắp ráp, chế tạo CEPBOT, gia

4

Ths. Lê Long Hồ

Khoa công nghệ Điện Chế tạo bản mạch điện tử, các

Đơn vị cơng tác

Vai trị thực hiện đề tài
đầy đủ tính năng đề ra, viết
phần mềm hồn chỉnh với đầy
đủ tính năng đề ra để kết nối hê
thống với PC qua các phần
mềm hỗ trợ, nâng cấp, khắc
phục, cải tiến.
kiện hoạt động và đánh giá,
nâng cấp, khắc phục, cải tiến.

công phần khung sườn
CEPBOT, chế tạo bản mạch
điện tử, các module chuyên
biệt.
module chuyên biệt, tổng hợp
số liệu và báo cáo.

1.4. Đơn vị chủ trì: Khoa Cơng nghệ Điện
1.5. Thời gian thực hiện:
1.5.1. Theo hợp đồng: từ tháng 1 năm 2019 đến tháng 1 năm 2020
1.5.2. Gia hạn (nếu có): 6 tháng
1.5.3. Thực hiện thực tế: từ tháng 01 năm 2019 đến tháng 01 năm 2020
1.6. Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có):
(Về mục tiêu, nội dung, phương pháp, kết quả nghiên cứu và tổ chức thực hiện; Nguyên
nhân; Ý kiến của Cơ quan quản lý)
2

1.7. Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài: 90 triệu đồng.
II. Kết quả nghiên cứu
1. Đặt vấn đề
Từ lâu, công tác duy tu, bảo dưỡng, sửa chữa các đường ống và không gian hạn chế
trong dây chuyền sản xuất cơng nghiệp cũng đặt ra những khó khăn khơng nhỏ, thậm chí là
khơng thể thực hiện được. Đối với những khu vực có diện tích nhỏ hẹp hay có môi trường
độc hại cao, việc để con người tiếp cận để kiểm tra, xử lý trục trặc nhìn chung là một cơng
việc rất khó vì việc tiếp cận để quan sát bên trong lòng ống và thiết bị là rất nguy hiểm cho
con người. Đặc biệt, đối với những ống nhỏ mà con người khơng vào được thì cơng việc
này gần như khơng thể thực hiện được. Vì vậy, xã hội luôn đặt ra nhu cầu về những giải
pháp mới trong việc cải tiến, thiết kế và chế tạo các thiết bị mới giúp sửa chữa đường ống và
không gian hạn chế. Nắm bắt từ thực tế hiện nay nhiều nước trên thế giới đã ứng dụng
Robot để phục vụ trong nhiều lĩnh vực như: công nghiệp, nông nghiệp trong quân sự và
trong cuộc sống sinh hoạt hằng ngày. Trong tương lai Robot sẽ là một công cụ hỗ trợ đắc
lực cho con người và giúp con người vươn đến những tầm cao mới. Nhận thức được xu
hướng và tầm quan trọng của Robot trong tương lai, cũng như từ nhu cầu thực tế, chúng tôi
nhận thấy việc ứng dụng công nghệ robotic vào công việc là hết sức cần thiết. Robot có thể
thay thế con người thực hiện các cơng việc kiểm tra, tìm kiếm thăm dị vị trí hư hỏng và ghi
nhận lại các thông số dữ liệu trong đường ống và không gian hạn chế, các vị trí, địa điểm
độc hại, nguy hiểm mà con người khơng thể tiếp cận hoặc thực hiện được…mở ra tiềm năng
ứng dụng rộng rãi, an toàn và tin cậy hơn trong quá trình hoạt động của cả hệ thống thiết bị
hiện hữu với chất lượng sản phẩm ổn định, giá thành thấp. Do đó, nhóm nghiên cứu đề xuất
và phát triển đề tài “Thiết kế, chế tạo robot thăm dò, kiểm tra đường ống có đường kính 300
mm”.
2. Mục tiêu
a. Mục tiêu tổng quát
-

Nghiên cứu thiết kế, chế tạo Robot công nghiệp có tính chun biệt, tiêu biểu để
phục vụ cho công tác kiểm tra, duy tu, bảo dưỡng, sửa chữa thiết bị, đường ống trong
các điều kiện môi trường độc hại, hạn hẹp và khơng an tồn cho dây chuyền sản xuất
công nghệ trong nhà máy.

-

Làm chủ các thành tựu mới nhất về công nghệ vi điều khiển, công nghệ thông tintruyền thông hướng tới nhận dạng, điều khiển thông minh.

-

Xây dựng các phần mềm và giải pháp điều khiển theo chuẩn công nghiệp.

b. Mục tiêu cụ thể
-

Thiết kế chế tạo mơ hình vật lý robot di chuyển trong đường ống (ống sắt, nhựa, thép
304) có kích thước 300mm÷20mm, có thể di chuyển theo phương ngang, đứng, cua
góc 0 ÷ 900 (Đường kính ống cong bằng 1.5D lần đường ống thẳng). Trong đó D là
đường kính của ống.

-

Thiết kế chế tao module lắp đặt camera để giám sát đường ống đồng thời có thể điều
chỉnh góc nghiêng của camera.

-

Thiết kế module điều khiển các động cơ truyền động, xử lý thơng tin từ camera, đọc
các tín hiệu cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm và thiết lập truyền thông bên ngồi thơng

qua liên kết có dây.
3


-

Viết chương trình máy tính tương tác với người dùng: Hiển thị hình ảnh trong đường
ống, hiển thị các giá trị đo lường được từ cảm biến và điều khiển chuyển động cho
robot.

-

Viết chương trình firmware được build thành service: Thu thập hình ảnh trong đường
ống, tiền xử lý hình ảnh và nén các frame ảnh thu thập được gửi lên sever/máy tính
để hiển thị lên giao diện phần mềm ngưới dùng. Thuật toán xử lý ảnh tự động phát
hiện dị vật, đo đạc được chiều rộng chiều sâu của khuyết tật cũng như các chướng
ngại vật trong đường ống, báo trạng thái dị vật về board điều khiển trung tâm qua
giao tiếp I2C để tự động điều khiển Robot. Ngôn ngữ sử dụng là Python, thư viện
nguồn mở OPENCV được sử dụng cho thuật toán xử lý ảnh real-time.

-

Thử nghiệm thực tế, tối ưu kế hoạch duy tu bảo dưỡng; chuẩn đốn phân tích, đánh
giá thăm dị đường ống, ghi nhận và đánh giá điều kiện an toàn cho con người có thể
thực hiện cơng việc trong dây chuyền sản xuất tại nhà máy.

-

Nhóm nghiên cứu hy vọng qua việc thực hiện đề tài nghiên cứu này có thể đóng góp
phần nào về phương pháp luận, về kết quả ứng dụng trong thực tế sản xuất cũng như

việc nghiên cứu, giảng dạy và ứng dụng robot trong nước đáp ứng như cầu tự động
hóa cơng nghiệp của nước ta.

3. Phương pháp nghiên cứu
•
−
−
−
•
−
−
−
•
−
−
−
•
−
−
−
•
−
−
−

Nội dung 1 : Khảo sát và đánh giá thực trạng
Cách tiếp cận: Khảo sát, quan sát và lắng nghe
Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Thu thập và phân tích
Kết quả dự kiến: Bản báo cáo kết quả khảo sát và đánh giá thực trạng
Nội dung 2 : Nghiên cứu chuyên môn

Cách tiếp cận: Nghiên cứu và thực nghiệm
Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Thu thập, phân tích, khảo sát và thực
nghiệm
Kết quả dự kiến: Bản báo cáo chuyên môn về thiết kế mơ hình Robot; truyền dữ liệu
giao tiếp nối tiếp qua Robot; lập trình vi điều khiển; lập trình giao diện và xử lý ảnh trên
máy tính sử dụng ngơn ngữ lập trình Python.
Nội dung 3 : Xây dựng, kết nối phần cứng, phần mềm
Cách tiếp cận: Xây dựng hệ thống và thực nghiệm
Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Phân tích và thực nghiệm
Kết quả dự kiến: Sơ đồ khối của hệ thống; sơ đồ nguyên lý từng khối; lưu đồ giải thuật
Nội dung 4 : Sản xuất
Cách tiếp cận: Thực nghiệm
Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Thực nghiệm
Kết quả dự kiến: Mơ hình vật lý của hệ thống; các phần mềm: Phần mềm điều khiển
Robot, phần mềm giao tiếp và điều khiển trên máy tính, phần mềm giao tiếp máy tính
với Robot.
Nội dung 5 : Lắp đặt thực tế, vận hành thử nghiệm
Cách tiếp cận: Thực nghiệm và kiểm tra
Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Thực nghiệm và kiểm tra
Kết quả dự kiến: Báo cáo kết quả lắp đặt thử nghiệm hệ thống
4


• Nội dung 6 : Phát triển giáo dục
− Cách tiếp cận: Tìm tài liệu, phân tích, lên phương án và thực nghiệm
− Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Hướng dẫn. phân tích, lên kế hoạch và thực
nghiệm
− Kết quả dự kiến: Báo cáo luận văn tốt nghiệp/đề tài nghiên cứu; mơ hình vật lý của luận
văn tốt nghiệp/đề tài nghiên cứu khoa học.
4. Tổng kết về kết quả nghiên cứu

Về phần cứng
Nhóm thực hiện đề tài đã đưa ra được mơ hình phần cứng phù hợp với yêu cầu thực
tiễn từ các phương án xây dựng phần cứng đã được đưa ra nghiên cứu. Sau khi xây dựng bộ
khung từ các phương án thiết kế, nhóm thực hiện đề tài tiến hành lắp đặt thực nghiệm tại
hiện trường để đưa ra các đánh giá về hệ thống, từ đó đưa ra các phương án bổ sung, hiệu
chỉnh, thay đổi.
Về phần mềm
Nhóm thực hiện đề tài đã thiết kế xây dựng phần mềm đáp ứng tất cả các yêu cầu đặt
ra từ thực tiễn. Phần mềm được thiết kế có giao diện đáp ứng đúng với các yêu cầu thực tế.
Thuật toán điều khiển được xây dựng dựa trên sơ đồ nghiên cứu ban đầu được chỉnh sửa, bổ
sung thuật tốn, hiệu chỉnh thơng số để phù hợp với môi trường thật, đáp ứng được yêu cầu
vận hành thực tế của robot.
5. Đánh giá các kết quả đã đạt được và kết luận
Các kết quả đã đạt được
-

Hoàn thành thiết kế, chế tạo mơ hình vật lý robot di chuyển trong đường ống (ống
sắt, nhựa, thép 304) có kích thước 300mm÷20mm, có thể di chuyển theo phương
ngang, đứng, cua góc 0 ÷ 900 (Đường kính ống cong bằng 1.5D lần đường ống
thẳng). Trong đó D là đường kính của ống.

-

Hoàn thành lắp đặt camera để giám sát đường ống đồng thời có thể điều chỉnh góc
nghiêng của camera.

-

Hồn thành thiết kế, chế tạo module điều khiển các động cơ truyền động, xử lý thông
tin từ camera, đọc các tín hiệu cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm và thiết lập truyền thơng

bên ngồi thơng qua liên kết khơng dây.

-

Hồn thành chương trình máy tính tương tác với người dùng: Hiển thị hình ảnh trong
đường ống, hiển thị các giá trị đo lường được từ cảm biến và điều khiển chuyển động
cho robot.

-

Thử nghiệm thực tế, tối ưu kế hoạch duy tu bảo dưỡng; chuẩn đốn phân tích, đánh
giá thăm dò đường ống, ghi nhận và đánh giá điều kiện an tồn cho con người có thể
thực hiện cơng việc trong dây chuyền sản xuất tại nhà máy.

Kết luận
Các kết quả đạt được của đề tài đáp ứng được các yêu cầu thực tiễn của robot và có
thể dễ dàng được ứng dụng rộng rãi.

5


6. Tóm tắt kết quả
Phần cứng
Mơ hình vật lý robot di chuyển trong đường ống.

Phần mềm
Chương trình máy tính tương tác với người dùng.

Bài báo khoa học
Tên bài báo: EFFICIENT DEEP LEARNING-BASED NETWORK FOR CRACK

DETECTION IN PIPELINE SYSTEMS
Tên tạp chí: Journal of Theoretical and Applied Information Technology
Ngày đăng: 30/11/2019 Số: 97(22)

Loại tạp chí: SCOPUS
6


III. Sản phẩm đề tài, công bố và kết quả đào tạo
3.1. Kết quả nghiên cứu (sản phẩm dạng 1,2,3)
Dạng I: Mẫu (model, maket); Sản phẩm (là hàng hố, có thể được tiêu thụ trên thị trường); Vật
liệu; Thiết bị, máy móc; Dây chuyền cơng nghệ; Giống cây trồng; Giống vật nuôi và các loại khác;

TT

1

Tên sản phẩm

Robot

Chỉ tiêu chất lượng chủ yếu
Mẫu tương tự
(theo các tiêu
chuẩn mới nhất)
Cần đạt
Trong
Thế
nước
giới

Module thân Robot: Thiết bị
hiện đại, đáp ứng tốt các môi
trường cơng nghệ trong Nhà
máy:
- Đường kính ống:
300±20mm
- Chiều dài cáp: 50m
- Đường kính ống cua: 1.5xD
- Số động cơ: 6
- Số bánh xe: 12
- Vật liệu: Thép không gĩ
- Tốc độ cực đại: 4m/Phút
Module phần cứng cho hệ
thống điều khiển trung tâm
và thiết bị ngoại vi: Hệ thống
hiện đại, đáp ứng tốt các
chuẩn giao tiếp công nghiệp
thông dụng, hoạt động ổn định
và lâu dài.
- Nguồn cấp: 220V
- CPU: Arduino Uno R3,
Cortex A8 ARM
- Đầu vào: T0, RH, Camera,
encoder
- Đầu ra: PWM
Module Camera:
- Resolution: 1296 x 964
- Frame Rate: 18 FPS
- Megapixels: 1.3 MP
- Chroma: Color

- Sensor Name: Sony ICX445
- Sensor Type: CCD
- Readout Method: Global
shutter
- Sensor Format: 1/3"
- Pixel Size: 3.75 µm
- Lens Mount: CS-mount
- Rotation: 1800

Dự
kiến số
lượng

1

7


Dạng II: Nguyên lý ứng dụng; Phương pháp; Tiêu chuẩn; Quy phạm; Phần mềm máy tính; Bản vẽ

thiết kế; Quy trình cơng nghệ; Sơ đồ, bản đồ; Số liệu, Cơ sở dữ liệu; Báo cáo phân tích; Tài liệu dự
báo (phương pháp, quy trình, mơ hình,...); Đề án, qui hoạch; Luận chứng kinh tế-kỹ thuật, Báo cáo
nghiên cứu khả thi và các sản phẩm khác
TT

1

Tên sản phẩm
Phần mềm máy tính

Số lượng

1

Yêu cầu khoa học cần đạt
Ghi chú
- Giao diện hiển thị có độ
tương phản cao, rõ ràng.
- Phần mềm dễ dàng sử dụng,
rõ ràng, giao diện đẹp.
- Dữ liệu truyền đảm bảo nhanh
và chính xác.
- Điều khiển và hiển thị chính
xác các thơng số Robot.
- Khả năng thay đổi linh động
cho nhiều ứng dụng khác nhau.

2

Sơ đồ

1

Sơ đồ nguyên lý: Sơ đồ tổng
quan các thành phần, các khối
của hệ thống; Sơ đồ chi tiết
từng khối, mạch kết nối, liên
kết các khối, sơ đồ đi dây chi
tiết trong hệ thống đầy đủ và
chính xác.

Dạng III: Bài báo;
TT

1

Tên bài báo dự kiến

EFFICIENT DEEP LEARNINGBASED NETWORK FOR CRACK
DETECTION
IN
PIPELINE
SYSTEMS

Nơi công bố (IUH, ISI, SCOPUS)
SCOPUS

Ghi chú

Ghi chú:
- Các ấn phẩm khoa học (bài báo, báo cáo KH, sách chuyên khảo…) chỉ được chấp
nhận nếu có ghi nhận địa chỉ và cảm ơn trường ĐH Công Nghiệp Tp. HCM đã cấp kính phí
thực hiện nghiên cứu theo đúng quy định.
- Các ấn phẩm (bản photo) đính kèm trong phần phụ lục minh chứng ở cuối báo cáo.
(đối với ấn phẩm là sách, giáo trình cần có bản photo trang bìa, trang chính và trang cuối
kèm thơng tin quyết định và số hiệu xuất bản)

8

3.2. Kết quả đào tạo
TT

Họ và tên

Thời gian
thực hiện đề tài

Nghiên cứu sinh

Tên đề tài
Tên chuyên đề nếu là NCS
Tên luận văn nếu là Cao học

Đã bảo vệ

Học viên cao học
Sinh viên Đại học
Ghi chú:
- Kèm bản photo trang bìa chuyên đề nghiên cứu sinh/ luận văn/ khóa luận và bằng/giấy
chứng nhận nghiên cứu sinh/thạc sỹ nếu học viên đã bảo vệ thành công luận án/ luận
văn;( thể hiện tại phần cuối trong báo cáo khoa học)
IV. Tình hình sử dụng kinh phí
TT
A
1
2
3
4
5

6
7
8
B
1
2

Nội dung chi
Chi phí trực tiếp
Th khốn chun môn
Nguyên, nhiên vật liệu, cây con…
Thiết bị, dụng cụ
Công tác phí
Dịch vụ th ngồi
Hội nghị, hội thảo, thù lao nghiệm thu giữa kỳ
In ấn, Văn phịng phẩm
Chi phí khác
Chi phí gián tiếp
Quản lý phí
Chi phí điện, nước
Tổng số

Kinh phí
được duyệt
(triệu đồng)

Kinh phí
thực hiện
(triệu đồng)

36.5

36.5

49

49

4.5

4.5

90

90

Ghi
chú

9


V. Kiến nghị (về phát triển các kết quả nghiên cứu của đề tài)
VI. Phụ lục sản phẩm (liệt kê minh chứng các sản phẩm nêu ở Phần III)
-

Mơ hình robot

-

Phần mềm máy tính

10


-

Bài báo

Chủ nhiệm đề tài

Tp. HCM, ngày ........ tháng........ năm .......
Phòng QLKH&HTQT
(ĐƠN VỊ)
Trưởng (đơn vị)
(Họ tên, chữ ký)

11


PHẦN II. BÁO CÁO CHI TIẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
(báo cáo tổng kết sau khi nghiệm thu, đã bao gồm nội dung góp ý của hội đồng nghiệm thu)

12


BỘ CƠNG THƯƠNG
ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU KHOA HỌCCẤP TRƯỜNG

Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo thiết bị thăm dò, kiểm tra đường ống có
đường kính 300 mm
Mã số đề tài: 192.Đ01
Chủ nhiệm đề tài: ThS. Nguyễn Hoanh
Đơn vị thực hiện: Khoa Công Nghệ Điện

ồ

1


MỤC LỤC

DANH MỤC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH VẼ ...............................................................................................3
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................................................4
CHƯƠNG 1: KHẢO SÁT THUỘC ĐỊA, TÍNH TỐN CHỌN LỰC CƠ CẤU TRUYỀN
ĐỘNG, VẬT LIỆU VÀ GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN HOẠT ĐỘNG ROBOT TRONG MÔI
TRƯỜNG ĐƯỜNG ỐNG, MÔI TRƯỜNG ĂN MÒN KIM LOẠI ..............................................5
1.1 Khảo sát thuộc địa các đường ống của nhà máy ....................................................................5
1.2. Các cơng trình nghiên cứu trong và ngồi nước ...................................................................5
1.2.1 Các cơng trình trong nước ...............................................................................................5
1.2.2. Các cơng trình nước ngồi .............................................................................................6
1.3 Cơ sở lý thuyết tính tốn, phân tích chuyển động của robot trong đường ống .....................7
1.3.1 Giới thiệu cấu hình robot đường ống ..............................................................................7
1.3.2 Cơ sở tốn học phân tích vị trí và tính tốn hướng của robot .........................................8
1.3.3 Cơ sở tốn học phân tích tốc độ của bánh xe ................................................................ 11
1.4 Tính tốn chọn lựa cơ cấu truyền động cho robot ...............................................................12

1.4.1 Trường hợp Robot đi trong đường ống thẳng ...............................................................12
1.4.2 Trường hợp Robot đi trong đường ống cong.................................................................15
1.4.3 Chọn tải động cơ ...........................................................................................................15
1.4.4 Tính động cơ chuyển động ............................................................................................16
1.4.5 Chọn lò xo .....................................................................................................................16
1.5 Chọn lựa giải pháp điều khiển cho robot .............................................................................18
1.5.1 Sơ đồ khối tổng quan của giải pháp điều khiển Robot ..................................................18
1.5.2 Đặc tính kỹ thuật của các thiết bị sử dụng trong hệ thống điều khiển robot .................19
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ BẢN VẼ CHI TIẾT CƠ KHÍ KHUNG ROBOT, MODULE THU
THẢ CÁP, MODULE CAMERA, BẢN VẼ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ROBOT ............................26
2.1 Thiết kế bản vẽ 3D khung robot dựa trên phần mềm Solidwork .........................................26
2.2 Mô phỏng đánh giá cơ cấu truyền động robot trong đường ống cong và co, khảo sát, phân
tích lực tác động lên thành ống dựa trên phầm mềm Solidwork;...............................................26
2.3 Thiết kế bản vẽ 3D khung thu và thả cáp và hệ thống cơ truyền động động cơ thu và thả
dựa trên phần mềm trên Solidwork; ...........................................................................................26
2.4 Thiết kế bản vẽ 3D khung lắp đặt camera và hệ thống cơ truyền động động cơ để điều
chỉnh góc xoay camera dựa trên phầm mềm trên Solidwork; ....................................................26
2.5 Thiết kế board tích hợp cho tồn bộ CPU cho hệ thống điều khiển dựa trên phầm mềm
Orcad (Raspberry PI, Arduino Uno R3, các driver điều khiển động cơ robot, camera); ...........26
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ GIAO DIÊN VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ROBOT .........27
3.1 Chương trình firmware cho board nhúng Raspberry: thu ảnh, xử lý ảnh theo yêu cầu;
truyền kết quả về board Arduino theo giao tiếp I2C; gửi ảnh lưu trữ ảnh trên HDD; build
service chạy mặc định khi khởi động; tối ưu code chạy độc lập với hardware; ........................27
3.1.1 Lưu đồ giải thuật ...........................................................................................................27
3.1.2 Chương trình điều khiển................................................................................................28
3.2 Chương trình firmware cho board điều khiển Arduino: .......................................................32
3.3 Phần mềm trên máy tính: Phần mềm có thể truy xuất camera trên Robot; hiển thị thông số
các cảm biến; điều khiển robot theo chế độ manual. .................................................................45
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................................................53

2


DANH MỤC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH VẼ
TT

Nội dung Hình

Trang

1

Robot thăm dị đường ống Cơng ty Cổ Phần QT DoKa

5

2

Robot thăm dị đường ống Cơng ty Tunpeng

6

3

Robot thăm dị đường ống Cơng ty Inuktun

6

4

Robot thăm dị đường ống Cơng ty Hezhong

6

5

Robot thăm dị đường ống Cơng ty Hezhong

7

6

Cơ cấu của robot đường ống

7

7

Một số kết cấu chuyển động robot đường ống

8

8

Tâm của bánh xe và các điểm tiếp xúc

8

9

Sơ đồ của lái

11

10

Mô tả mối quan hệ giữa đường ông và Robot

12

11

Mô tả mối quan hệ chuyển động của Robot trong đường ống cong góc 90

13

12

Mơ tả tình trạng Robot bị kẹt trong đoạn ống cong 90

14

13

Mơ tả tình trạng Robot khơng bị kẹt trong đoạn ống cong 90

14

14

Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống điều khiển robot

18

15

Sơ đồ khối tổng quan phần cứng sử dụng điều khiển Robot

18

16

Lưu đồ giải thuật điều khiển

27

17

Lưu đồ giải thuật phần thu dây tự động

28

18

Sơ đồ khối tổng quát hệ thống

32

19

Sơ đồ khối hệ thống truyền nhận thông tin

33

20

Lưu đồ giải thuật hệ thống truyền tín hiệu cảm biến trên NodeMCU 1

33

21

Lưu đồ giải thuật hệ thống truyền tín hiệu cảm biến trên máy tính

35

22

Lưu đồ giải thuật hệ thống truyền tín hiệu cảm biến trên Beagle

36

23

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

37

24

Lưu đồ giải thuật hệ thống điều khiển trên NodeMCU1

37

25

Lưu đồ giải thuật hệ thống điều khiển trên NodeMCU2

40

26

Lưu đồ giải thuật khối xử lý ảnh và giao diện máy tính

45

27

Giao diện chương trình trên máy tính chế độ hồng ngoại

52

28

Giao diện chương trình trên máy tính chế độ bình thường

52

3

DANH MỤC BẢNG
TT

Nội dung Bảng

Trang

1

Thông số của của robot

15

2

Thông số kỹ thuật Raspberry Pi 3b+

19

3

Thông số kỹ thuật Node MCU ESP8266

20

4

Thông số kỹ thuật Cảm biến AM2315

20

5

Thông số kỹ thuật Mạch cầu H – L298

21

6

Thông số kỹ thuật Router Tplink 841n

21

7

Thông số kỹ thuật Arduino UNO R3

22

8

Thông số kỹ thuật Mạch điều khiển động cơ TB6600

23

9

Thông số kỹ thuật Mạch Điều Khiển Động Cơ Bước DRV8825

23

10

Thông số kỹ thuật Bộ nguồn xung ổn áp S8VM-30024C

24

11

Thông số kỹ thuật Động cơ bước và trục vitme: NEMA 17 42

24

12

Thông số kỹ thuật Động cơ bước giảm tốc: 667oz-in NEMA-17 Bipolar

25

13

Thông số kỹ thuật Động cơ dc giảm tốc: 5840-31ZY

25

14

Thông số kỹ thuật Camera USB 2.0

25

4


CHƯƠNG 1
KHẢO SÁT THUỘC ĐỊA, TÍNH TỐN CHỌN LỰC CƠ CẤU TRUYỀN
ĐỘNG, VẬT LIỆU VÀ GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN HOẠT ĐỘNG ROBOT
TRONG MƠI TRƯỜNG ĐƯỜNG ỐNG, MƠI TRƯỜNG ĂN MỊN KIM LOẠI
1.1 Khảo sát thuộc địa các đường ống của nhà máy
Từ lâu, công tác duy tu, bảo dưỡng, sửa chữa các đường ống và không gian hạn chế trong dây
chuyền sản xuất cơng nghiệp cũng đặt ra những khó khăn khơng nhỏ, thậm chí là khơng thể thực
hiện được. Đối với những khu vực có diện tích nhỏ hẹp hay có mơi trường độc hại cao, việc để con
người tiếp cận để kiểm tra, xử lý trục trặc nhìn chung là một cơng việc rất khó vì việc tiếp cận để
quan sát bên trong lòng ống và thiết bị là rất nguy hiểm cho con người. Đặc biệt, đối với những ống
nhỏ mà con người khơng vào được thì công việc này gần như không thể thực hiện được. Vì vậy, xã
hội ln đặt ra nhu cầu về những giải pháp mới trong việc cải tiến, thiết kế và chế tạo các thiết bị
mới giúp sửa chữa đường ống và không gian hạn chế. Nắm bắt từ thực tế hiện nay nhiều nước trên
thế giới đã ứng dụng Robot để phục vụ trong nhiều lĩnh vực như: công nghiệp, nông nghiệp trong
quân sự và trong cuộc sống sinh hoạt hằng ngày.
Nhận thức được xu hướng và tầm quan trọng của Robot trong tương lai, cũng như từ nhu cầu
thực tế Robot có thể thay thế con người thực hiện các cơng việc kiểm tra, tìm kiếm thăm dị vị trí hư
hỏng và ghi nhận lại các thơng số dữ liệu trong đường ống và không gian hạn chế, các vị trí, địa
điểm độc hại, nguy hiểm mà con người không thể tiếp cận hoặc thực hiện được…mở ra tiềm năng
ứng dụng rộng rãi, an toàn và tin cậy hơn trong quá trình hoạt động của cả hệ thống thiết bị hiện
hữu với chất lượng sản phẩm ổn định, giá thành thấp. Do đó, nhóm nghiên cứu của khoa Cơng
Nghệ Điện Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM thực hiện đề tài “Thiết kế, chế tạo thiết bị thăm
dò, kiểm tra đường ống có đường kính 300mm”.
Theo khảo sát thực địa cũng như các tài liệu kỹ thuật về các loại đường ống của các nhà máy
cung cấp cho nhóm nghiên cứu cho thấy hiện tại đường kính ống trong nhà máy có rất nhiều kích

thước khác nhau nhỏ nhất từ 0.5 inch đến lớn nhất 64 inch.
1.2. Các cơng trình nghiên cứu trong và ngồi nước
1.2.1 Các cơng trình trong nước
Cơng trình robot được cơng ty Cổ Phần QT DoKa đang nghiên cứu và chuẩn bị bàn giao cho
Công Ty C.P. Vietnam Coproration tính năng robot di chuyển trong đường ống Φ270 đến Φ320
đường ống thẳng đứng nghiêng từ 0-900 và vệ sinh đường ống

Hình 1: Robot thăm dị đường ống Công ty Cổ Phần QT DoKa

5


1.2.2. Các cơng trình nước ngồi
Cơng ty Tunpeng sản xuất robot di chuyển trong đường ống để giám sát trong thành ống

Hình 2: Robot thăm dị đường ống Cơng ty Tunpeng
Công ty inuktun sản xuất robot di chuyển trong đường ống và kết hợp đo lượng khí gas.

Hình 3: Robot thăm dị đường ống Cơng ty Inuktun
Cơng ty Hezhong international chế tạo robot chuyên di chuyển trong đường ống dung để và
thu thập giám sát đường ống.

Hình 4: Robot thăm dị đường ống Cơng ty Hezhong
6


Bài báo In-pipe Cleaning Mechanical System for DeWaLoP Robot - Developing Water Loss
Prevention sử dụng chà đường ống do lâu ngày có cặn bám thay cho con người.

Hình 5: Robot thăm dị đường ống Cơng ty Hezhong

1.3
Cơ sở lý thuyết tính tốn, phân tích chuyển động của robot trong đường ống
1.3.1 Giới thiệu cấu hình robot đường ống
Như hình 6 robot đường ông được cấu tạo chủ yếu bởi hai phần, bao gồm cơ cấu điều chỉnh
xuyên tâm và cơ cấu chấp hành. Cơ cấu điều chỉnh tâm thông qua phương pháp kết hợp tải trọng
cứng và linh hoạt [15-18]. Chuyển động liên quan của cặp đai ốc vít điều chỉnh tải trọng cứng của
bánh xe trên tường bên trong của đường ống. Ngoài ra, việc điều chỉnh tải trọng linh hoạt thơng qua
sự biến dạng của lị xo. Cơ cấu chấp hành bao gồm sáu bánh xe và mỗi bánh xe được điều khiển bởi
một động cơ.

Hình 6: Cơ cấu của robot đường ống
Thiết kế cơ cấu có ưu điểm về khả năng thích ứng với các kích thước ống khác nhau và khả
năng điều chỉnh lực kéo. Hơn nữa, nó có thể làm cho robot giữ thái độ ổn định và dễ dàng điều
khiển.

7


1.3.2 Cơ sở tốn học phân tích vị trí và tính tốn hướng của robot

Hình 7: (a) Sơ đồ robot di chuyển trong đoạn ống cong. (b) Hệ tọa độ
Trong hình 7, ký hiệu α đại diện cho góc hướng của robot, góc giữa đường OO1(O1 là trung
tâm của bánh xe 1) và trục OZ, α dao động từ -180° đến 180° và chúng ta xét ngược chiều kim đồng
hồ là chiều dương. Khi robot đi vào đoạn ống cong với hướng góc α và điều khiển khơng vi sai, tốc
độ của các bánh xe bên ngoài thành ống bên trong ống bị giảm và tốc độ bánh xe bên ngoài ống bên
trong ống tăng tốc do cản trở của cấu trúc đường ống.
Như hình 11, khi góc hướng là 0°, các bánh xe bên ngoài thành ống bên trong ống là bánh xe 1
và 4. và các bánh xe bên trong thành ống bên trong ống là bánh xe 2, 3, 5 và 6.
Theo mô tả ở trên, chúng ta có thể suy ra rằng sẽ có thêm một lực tác động trên bánh xe robot,

được tạo ra bởi đường ống. Tuy nhiên, lực tác dụng lên các bánh xe 2, 3, 5 và 6 dọc theo hướng âm
trục x do thành ống có tính kháng trên đó. Tuy nhiên, lực trên bánh xe 1 và 4 là theo hướng dương.
Do đó, robot được kích hoạt một mơ-men xoắn theo chiều kim đồng hồ quanh trục z. Mômen này
tạo lực tương tác giữa bánh xe 2, 3, 5 và 6 và đường ống tăng lên và lực tiếp xúc giữa bánh xe 1 và
4 và đường ống giảm. Khi robot di chuyển ra khỏi đường ống cong, độ lớn và hướng của lực tác
động trên bánh xe đối xứng làm cho robot chuyển động thẳng.

Hình 8: Tâm của bánh xe và các điểm tiếp xúc
Như minh họa trong hình 10, xyz đại diện cho hệ tọa độ tham chiếu, trong đó gốc o là tâm của
đường ống cong. Ngồi ra, mặt phẳng xy trùng với mặt cắt đối xứng của đường ống. XYZ biểu thị
hệ tọa độ di chuyển, được cố định trên robot. Gốc cố định tại tâm của hình tam giác được tạo bởi
8


trung tâm bánh sau, tọa độ được kí hiệu bởi [xr yr zr]T. γ đại diện góc lái robot, góc giữa trục X và
trục x. Oi tâm của mỗi bánh xe, tong đó i= 1, ..., 6. ki biểu diễn các điểm tiếp xúc giữa các bánh xe
và thành bên trong đường ống, trong đó, i=1, ..., 6. D là đường kính bên trong ống. R đại diện cho
chiều dài từ gốc o đến đường chéo giữa của khuỷu tay. R là bán kính bánh xe và d là đường kính
bánh xe. l là khoảng cách giữa các mặt phẳng được tao thành bởi trung tâm của các bánh xe phía
trước và bánh sau.
Theo mơ tả ở trên, phân tích tính chất chuyển động của robot ở giai đoạn chuyển động phẳng
trong trong đường ống có thể áp dụng lý thuyết về động học trong mặt phẳng của vật rắn, được mô
tả chi tiết như dưới đây.
Nếu robot xoay theo chiều kim đồng hồ xung quanh trục X bởi góc γ, có nghĩa là hệ tọa độ
chuyển động xoay -γ tương đối so với hệ tọa độ tham chiếu, thì phép quay của ma trận Jacobian là:

 cos γ
Rot =  − sin γ

 0

sin γ
cos γ
0

0
0

1 

(1)

Chúng ta xác định bán kính của hình trịn được hình thành bởi các bánh xe bán đường kính R1,
do đó chúng ta có thể có được tọa độ của trung tâm bánh xe phía trước trong hệ thống tọa độ
chuyển động như sau:

 l
FW0 =  R1cα

 R1sα

l

l


R1c(α + 120 ) R1c(α + 240 ) 

R1 s(α + 1200 ) R1 s(α + 2400 ) 
0

0

(2)

Các tọa độ của tậm các tâm bánh xe phía sau trong hệ tọa độ di chuyển được viết như

 0
RW0 =  R1cα

 R1sα

0
0

0
0 
R1c(α + 120 ) R1c(α + 240 )

R1 s(α + 1200 ) R1 s(α + 2400 ) 

(3)

Các tọa độ của trung tâm bánh xe trước trong hệ tọa độ tham chiếu được viết như

 l
FW  R1cα
=

 R1sα

l

l


R1c(α + 1200 ) R1c(α + 2400 )  + Trans

0
0
R1 s(α + 120 ) R1 s(α + 240 ) 
T
Trong đó Trans là ma trận dịch, được định nghĩa bởi [P P P]. P = [ xr yr zr ] .
như:

(4)

Theo cùng một cách, tọa độ của các tâm bánh xe phía sau trong hệ tọa độ tham chiếu được viết

 0
RW  R1cα
=

 R1sα

0

0



R1c(α + 1200 ) R1c(α + 2400 )  + Trans

0
0
R1 s(α + 120 ) R1 s(α + 240 ) 

(5)

Khi bánh xe phía sau được đặt ở đường ống thẳng, các điểm tiếp xúc giữa bánh sau và đường
ống trùng với trục tọa độ x của tâm bánh xe tương ứng. Các tọa độ của các điểm tiếp xúc được biểu
thị như sau

9


RK

 R1sγ cα

 0
 0


R1sγ c(α + 1200 ) R1sγ c(α + 2400 )   xr
 
0
0
 +  y1
  z1
0

0


xrr
y2
z2

xr 
y3 

z1 

(6)

Khi đó bánh xe 1, 2 và 3 được định vị trong đường ống cong, các hàm của các điểm chạm k1, k2
và k3 tính toán như sau:

(
(
(










) +z
− R) + z
− R) + z

x12 + y12 − R
2
2

2
2

2
3

2
3

x +y
x +y

2

2

2

2
1

0

− ( 0.5 D ) =

2
2

0
− ( 0.5 D ) =

2
3

0
− ( 0.5 D ) =

2

2

(7)

2

Bánh xe 4, 5 và 6 được định vị trong đường ống thẳng, các hàm của các điểm chạm k4, k5 và k6
tính tốn như sau:

( y4 − R )2 + z42 − ( 0.5 D )2 =
0

2
2

2
0
( y5 − R ) + z5 − ( 0.5 D ) =

2
2
2
0
( y6 − R ) + z6 − ( 0.5 D ) =

(8)

Khoảng cách giữa mỗi điểm chạm và tâm của bánh xe tương ứng bằng với bán kính bánh xe,
khoảng cách có thể miêu tả như sau.

oi ki = rk

(9)

Trong đó rk kí hiệu bán kính bánh xe, i=1, …6.
Ở hệ thống tọa độ chuyển động, vec tơ đơn vị vng góc với mỗi bánh xe của robot được biểu
thị như sau:

 0 
 − sin α  ; N
N w1 =
N w4 =

 w2
 cos α 









0
0





 
π 
π 

=
N w5 =
N w6 =
 − cos  α + 6   ; N w3 =
cos  α − 6  




 


 
π 
π 

 − sin  α +  
 sin  α −  
6 
6 


 

(10)

Do đó, vector vng góc với mỗi bánh xe của robot trong hệ tọa độ tham chiếu được cho bởi:

 cos γ
nwi =  − sin γ

 0

Thế (10) vào (11), chúng ta có thể xác định

sin γ
cos γ
0

0
0  .N wi


1 

(11)

10


 sγ sα 

−cγ sα  ;n w 2
nw1 =
nw 4 =


 cα 


π

π 


γ
α
+
γ
α
−
s

s
s
c






6 
6 









π
π 


=
−
γ
α
+
=

=
γ
α
−
nw5 =
c
s
N
N
c
c
;
w3
w6






6  
6  





 
π 
π 


−
α
+
α
−
s
s

 

 
 
6 
6 


 

(12)

Mỗi điểm tiếp trên bánh xe tương ứng, chúng ta có thể có được
(13)
nwi .oi ki = 0 , i = 1, , 6
Khi đó mơ men dẫn hướng chuyển động quay robot trong đường ống cong là các vectơ vng
góc với mặt phẳng được hình thành bởi các điểm tiếp xúc, gốc tọa độ hệ thống tham chiếu và trung
tâm bánh xe được cho bởi

lsγ − R1cγ c (α + 1200 ) − yr 
ls

γ
R
c
γ
c
α
y
−
−

r
1




0

nr1 = lcγ − R1sγ cα − xr ; nr 2 = lcγ − R1sγ c (α + 120 ) − xr  ;






0
0





lsγ − R1cγ c (α + 2400 ) − yr 


0
nr 3 =lcγ − R1sγ c (α + 240 ) − xr  ;


0




Véc tơ nri vng góc với véc tơ oki , do đó chúng ta có:

(14)

nri .oki = 0 , i = 1, , 3

(15)
Thơng qua tính tốn các phương trình trên, chúng ta có thể rút ra mơ hình vị trí và hướng của
robot trong suốt q trình chuyển động. Dựa trên cơ sở tốn học được mơ tả ở trên, tọa độ của tâm
bánh xe được được tìm thấy.

1.3.3 Cơ sở tốn học phân tích tốc độ của bánh xe

Hình 9: Sơ đồ của lái
Chúng tơi lấy bánh xe 1 như là một đối tượng phân tích. Khi bánh xe 1 dẫn đường tự điều
chỉnh xoay, nó cũng di chuyển theo trục x. Ngoài ra, bánh xe 1 thực hiện chuyển động xoắn ốc do
tồn tại góc lái của bánh xe. Góc lái β được thể hiện trong hình 11.

11


Giả sử rằng các bánh xe robot không trượt trong chuyển động và khơng xuất hiện rơto động cơ
khơng khóa, do đó vận tốc của tâm bánh xe O1 bằng với:

vo1 = ω1rp cos β1

Trong đó,

(16)

ω1 vận tốc góc của bánh xe 1, bằng với vận tốc quay của động cơ.

Góc lái được tìm thấy như sau:

cos β1 =
Trong đó ex1 là véc tơ đơn vị của trục x.

[ nw1o1k1ex ]
nw1 o1k1

(17)

Do đó vận tốc và góc lái của năm bánh xe cịn lại có thể được tính tốn tương tự.

1.4

Tính tốn chọn lựa cơ cấu truyền động cho robot

Mục tiêu cụ thể trong phần này là chúng ta phải làm sao tính tốn chọn lựa được kích thước
của robot bao gồm cả cơ cấu camera sao cho robot có thể di chuyển trong đường ống có kích thước
D = 300mm÷20mm, có thể di chuyển theo phương ngang, đứng, cua góc 0 ÷ 900 (Đường kính ống
cong bằng 1.5D lần đường ống thẳng). Để tính tốn chọn lựa được kích thước robot chúng ta có thể
phân ra 2 trường như sau:

1.4.1 Trường hợp Robot đi trong đường ống thẳng
Để tính tốn được kích thước của Robot trước hết chúng ta đưa ra các định nghĩa như hình 12:
- Đoạn cong của ống cong theo mặt phẳng trùng với một càng bánh xe
- Đối ngẫu qua thân robot

D
R
d
L1
L2
m
r
b
n

Hình 10: Mơ tả mối quan hệ giữa đường ơng và Robot
: Đường kính ống
: Bán kính cong của ống
: Chiều dài thân chính robot
: Chiều dài thanh giằng dài
: Chiều dài thanh giằng ngắn (có ty phuộc để tạo lực ép sát)
: Đường kính thân chính robot
: Bán kính bánh xe
: Khoảng cách thành ống với vệt bánh xe

: Là độ rộng giữa hai bánh xe, a, b α được xác định như hình 13(a)
12