Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot giám sát đường ống nước thải

iv
TÓM TẮT
Robot giám sát đưng ống thoát nưc, là một trong những khái nim mi về
robot dch v, có nhim v phát hin ra các vt nứt, các hư hỏng hay những chưng
ngi vt của đưng ống làm cho đưng ống thoát nưc b rò r, b vỡ hay tràn ống.
Đặc điểm của robot là có thể thay th sức lao động của con ngưi trong các điều kin
làm vic khc nghit hoặc nguy hiểm, ni mƠ con ngưi không thể làm vic hoặc nh
hưởng đn sức khỏe. Bên cnh đó, h thống thoát nưc của Vit Nam, đưng ống
thoát nưc có đưng kính từ 0,2 ÷ hn 0,8m. Gii quyt nhu cu đó, trong lun văn
này gii thiu phn thit k mô hình robot giám sát đưng ống thoát nưc. Để thực
hin tốt nhim v đề ra, ngưi nghiên cứu phơn tích môi trưng thực t, đề xut
phưng án di chuyển của robot trong đưng ống thoát nưc vƠ phưng pháp giám sát
để ghi nhn đưc những hình nh rõ nét bên trong đưng ống. Ngoài ra, lun văn còn
đề cp đn cách giao tip để điều khiển robot di chuyển trong đưng ống thoát nưc.
Cuối cùng, ngưi nghiên cứu đánh giá mc tiêu thông qua thực nghim nhiều ln
trong phòng thí nghim và c trong môi trưng thực t.


v
ABSTRACT

Supervising-sawage-line robot is one of the new concept of professional service
robots whose function is to find out the 'pit of death' caused by the leak(s) or break(s)
of the sewage lines underground. It can take over the work of workers in the severe or
dangerous working condition, where people can’t work or their health may be affected
seriously. Besides, the diameters of the drainage pipes in our drainage system is too
small (only ranged from 0.2 to 0.8 meter). To solve this problem, in this article, our
main task is to introduce the design of the model of supervising-sawage-line robot. To
accomplish the tasks, we have analysed the real environment and propose the way to
move the robot in the sawage lines and how to record the images inside the pipe
clearly. In addition, we also mention the way to operate the robot to move along the

pipe. Finally, we will evaluate the result through both experimental and practical
proccess.












vi
MC LC
TRANG
LÍ LCH KHOA HC i
LI CAM ĐOAN ii
LI CM N ii
TÓM TT iv
ABSTRACT .v
MC LC vi
DANH SÁCH CÁC HÌNH V ix
DANH SÁCH CÁC BNG xi
Chưng 1: TỒNG QUAN 1
1.1. Đặt vn đề 1
1.2. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu 2
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nưc .3
1.2.2. Tình hình nghiên cứu ngoƠi nưc .5

1.2.3. ụ nghĩa khoa hc và thực tin 7
1.3. Mc tiêu và nhim v của đề tài 7
1.3.1. Mc tiêu của đề tài 7
1.3.2. Nhim v của đề tài 9
1.4. Đối tưng và phm vi nghiên cứu 9
1.5 Phưng pháp nghiên cứu 10
1.6 Thi gian thực hin đề tài 11
Chưng 2: THIẾT KẾ KẾT CẤU C KHệ 12
2.1. Lý thuyt về quá trình thit k máy và chi tit máy 12
2.2. Hin trng công tác giám sát h thống thoát nưc đô th 13
2.2.1. Ti các đô th nưc ngoài. .13
2.2.2. Ti các đô th trong nưc 13
2.3. Phân tích và lựa chn phưng án thit k 15
2.3.1. Ch độ làm vic của robotầầầầầầầầầầầầầầầầầầ.15
vii
2.3.2. Nguyên lý hot động ầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầ16
2.3.3. Phưng án đề xut cho robot giám sát đưng ống nưc thi ầầầầ 17
2.4. Bộ phn thân ậ khung 20
2.5. Bộ phn di chuyển 21
2.5.1. Tính toán chn công sut động c cho bộ phn di chuyển robot 24
2.5.2. Thit k bộ truyền động bánh răng 28
2.5.3. Thit k bộ truyền động xích 28
2.5.4. Thit k trc dẫn động 29
2.6. Bộ phn giám sát 31
2.6.1. Thit k hộp bo v camera chống thm 32
2.6.2. Thit k c cu chnh hưng camera 33
Chưng 3: TệNH TOÁN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG 35
3.1. Nhim v vƠ phưng pháp phơn tích động lực hc robot 35
3.2. Phưng trình động lực hc robot 35
3.3. Tính toán bộ truyền bánh răng 38

3.4. Tính toán bộ truyền xích 42
Chưng 4: THIẾT KẾ ĐIỆN VÀ ĐIỀU KHIỂN 47
4.1. Nguồn đin 47
4.2. Mch đin 47
4.3. Thit k hộp điều khiển vƠ panel điều khiển cho robot giám sát 48
4.4. Thit k gii thut điều khiển robot 47
4.4.1. Điều khiển robot 49
4.4.2. Điều khiển chuyển động của Robot 49
4.4.3. Điều khiển h thống PAL-TILT camera 52
4.4.4. Điều khiển nâng ậ h camera 53
4.5. Phn thu thp tín hiu từ Video 53
4.6. S đồ nguyên lý các mch đin 54
4.6.1. Mch đin điều khiển Camera 55
4.6.2. Mch đin điều khiển động c di chuyển 56
4.6.3. Mch đin điều khiển tốc độ động c 54
viii
Chưng 5: THỰC NGHIỆM 57
5.1. Mc đích thực nghim 57
5.2. Thực nghim 58
5.2.1. Về kích thưc 57
5.2.2. Về công sut động c. 59
5.2.3. Về tốc độ robot. 59
5.2.4. Về điều khiển robot ầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầ 61
5.3. Kt qu thực nghim .61
Chưng 6: KẾT LUẬN 68
6.1. Kt lun .68
6.2. Hưng phát triển 69
TÀI LIU THAM KHO 71

ix
DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1. Hình nh các con đưng trong thành phố sau cn mưa 1
Hình 1.2: Robot kho sát của cty cp thoát nưc tp. Hồ Chí Minh 3
Hình 1.3: Cm ti no vét cống ngm 4
Hình 1.4: Mô hình thực t của robot v sinh vƠ giám sát đưng ống nưc thi 5
Hình 1.5: Robot tự động KURT 6
Hình 1.6: Robot đa cm bin trong đưng cống, KARO 6
Hình 1.7: Robot tự động trong đưng ống, MAKRO 7
Hình 1.8: Thể hin trình tự v sinh cống của một nhóm công nhân 8
Hình 2.1: Hình nh bao cát đưc móc lên từ lòng cống ở đưng Tân Kỳ - Tân Quí 14
Hình 2.2: Kiểm tra đưng ống thoát nưc ti v trí hố ga vi đưng kính ống
300mm 14
Hình 2.3: Bùn vƠ đá bên trong đưng ống nưc thi 500mm 14
Hình 2.4: Bùn cao bằng mặt nưc bên trong đưng ống nưc thi 600mm. 15
Hình 2.5: Hình nh các ống cống có đưng kính khác nhau 16
Hình 2.6: H thống truyền động của robot. 18
Hình 2.7: Mô hình lp ghép hoàn chnh 3D của robot 19
Hình 2.8: Robot giám sát ở các góc nhìn khác nhau 20
Hình 2.9: Mô hình 3D phn thân của robot 20
Hình 2.10: Lp các trc chuyển động, bánh xe vào robot. 22
Hình 2.11: Hình v các loi gai của bánh xe 23
Hình 2.12: Kt cu trc dẫn động 29
Hình 2.13: Hộp bo v Camera 32
Hình 2.14: H thống chnh hưng camera 33
Hình 4.1: Kt nối tủ điều khiển và Robot 48
Hình 4.2 : Panel điều khiển robot 300 49
Hình 4.3: S đồ khối điều khiển Robot 49
Hình 4.4: Điều khiển tốc độ robot 50

Hình 4.5: Gii thut điều khiển chuyển động của robot 51
Hình 4.7: Gii thut điều khiển h thống PAL-TILT camera 52
x
Hình 4.8 : Gii thut điều khiển c cu hình bình hành nâng ậ h camera 53
Hình 4.9: Mch điều khiển Camera 54
Hình 4.10: Mch điều khiển động c 55
Hình 4.11: Mch đin điều khiển tốc độ động c 56
Hình 5.1: Mô hình thực t robot giám sát đưng ống nưc thi 58
Hình 5.2: Robot di chuyển vi độ dốc 30
0
59
Hình 5.3: Các môi trưng thực nghim 60
Hình 5.4: Hình nh ở ln thử nghim I 61
Hình 5.5: Hình nh ở ln thử nghim II 62
Hình 5.6: Hình nh thu đưc từ camera trong ln thử nghim thứ III 62
Hình 5.7: Hình nh ở ln thử nghim IV 63
Hình 5.8: Hình nh ở ln thử nghim V 63
Hình 5.9: Biểu đồ thể hin mối quan h giữa tổng lực cn vi vn tốc vƠ môi trưng
thực nghim 65
Hình 5.10: Máy đo cưng độ ánh sáng ầầầầầầầầầầầầầầầầầầ66
Hình 5.11: Biểu đồ thể hin mối quan h giữa khong cách camera quan sát rõ nht
vi cưng độ ánh sáng và góc mở camera 66
Hình 5.12: Hình nh các v trí khác nhau bên trong đưng ống thu đưc từ camera 67

xi
DANH SÁCH CÁC BNG

Bng 1: Phân công công vic c thể từng thành viên 10
Bng 2: So sánh các loi hình truyền động 18
Bng 3: Các góc quan sát của camera 32

Bng 4. Đặc tính c khí của robot giám sát đưng ống nưc thi 34
Bng 5: Chiều cao của robot phù hp vi kích thưc đưng ống 58
Bng 6: Tổng lực cn của robot ứng vi vn tốc trong từng môi trưng 64
1

Chưng 1
TNG QUAN

1.1. Đặt vn đ:
Hiện nay, tình hình đô thị hóa đang diễn ra nhanh, kênh rạch và các vùng
trũng bị san lấp dành cho xây dựng đô thị, việc quy hoạch về tiêu thoát nớc không
theo kịp với tốc độ phát triển ca thành phố, nhiều tuyến đng trong thành phố
luôn bị ngập lụt sau những cơn ma do hệ thống thoát nớc không thoát nớc kịp
với nhiều nguyên nhân: cũ, xuống cấp, nhiều rác thải, … đợc minh họa trong hình
1.1 [1].

Hình 1.1. Hình ảnh các con đường trong thành phố sau cơn mưa.
Ngoài ra còn một vấn đề về hệ thống tiêu thoát nớc rất nghiêm trọng đang
xảy ra là c thỉnh thoảng trên các tuyến đng tại thành phố Hồ Chí Minh lại có
hiện tợng „hố tử thần‟ do các đng ống thoát nớc gây ra.
Vì vậy vấn đề hệ thống thoát nớc đang là bài toán bc xúc và nan giải ca
thành phố. Hiện tại để giải quyết vấn đề ngập úng, ngoài các biện pháp vĩ mô lâu
dài thì lúc nào thành phố cũng phải cho các đội vệ sinh đng ống đến các nơi bị
ngập, để làm sạch đng ống bị tắc. Tuy nhiên, đối với loại ống có đng kính từ
0,2 đến 0,8m thì công nhân không thể chui lọt, do đó gây rất nhiều khó khăn cho
việc làm sạch ống. Ngoài ra, môi trng cống rất ô nhiễm, độc hại, nh Báo Tuổi
Trẻ ngày 30/05/2012 đư đa tin công nhân nạo vét cống trúng khí độc khi đang làm
việc. Còn để tìm ra các vết nt, các h hỏng hay những chớng ngại vật ca đng
2

ống làm cho đng ống thoát nớc bị rò rỉ, bị vỡ hay tràn ống, ta phải dùng những
con robot đợc nhập về từ nớc ngoài để giám sát đng ống, kiểm tra xem những
lỗi  vị trí nào trong đng ống để tiến hành sửa chữa đng ống. Đây là động lực
cơ bản để ngi nghiên cu chọn hớng nghiên cu, thiết kế một robot có thể di
chuyển dới hệ thống cống rưnh, có khả năng giám sát và truyền hình ảnh về trung
tâm điều khiển.
Một số khái niệm liên quan đến đề tài :
- Robot là một hệ thống thiết bị tự động thực hiện nhiệm vụ bằng sự điều
khiển ca máy tính hoặc các vi mạch điện tử đợc lập trình, … bao gồm robot công
nghiệp và robot dịch vụ. Robot công nghiệp là một hệ thống tự động kiểm soát, lập
trình, đa chc năng, điều khiển lập trình trong ba hoặc nhiều trục, có thể đợc đặt
cố dịnh hay di động để sử dụng trong các ng dụng tự động hóa công nghiệp. Robot
dịch vụ là robot hoạt động bán tự động hoặc hoàn toàn tự động để thực hiện dịch vụ
hữu ích cho phúc lợi ca con ngi và thiết bị, không bao gồm hoạt động sản xuất
[2]. Robot giám sát đng ống nớc thải là loại robot dịch vụ.

- Giám sát đợc định nghĩa là một chc năng đợc thực hiện một cách liên tục
giúp ta theo dõi những thành quả (hình ảnh) thông qua việc thng xuyên thu thập
thông tin để kịp thi hỗ trợ việc ra quyết định.
- Hệ thống thoát nớc ca nớc ta đợc phân biệt nh sau: hệ thống thoát
nớc chung là hệ thống mà tất cả các loại nớc thải (sinh hoạt, sản xuất, nớc ma)
đợc xả chung vào một mạng lới và dẫn đến công trình làm sạch và hệ thống thoát
nớc riêng là hệ thống có hai hay nhiều hệ thống cống riêng biệt nh là một dùng
để vận chuyển nớc bẩn nhiều (nớc sinh hoạt, sản xuất), một là vận chuyển nớc ít
bẩn hơn (nớc ma)[3].
1.2. Tng quan chung v lĩnh vc nghiên cứu:
Hệ thống đng ống thoát nớc cũ kỹ sẽ gây ra nhiều hiện tợng nh lợng
bùn, rác lắng đọng nhiều sẽ gây ngập khi có ma nhiều, đng ống có vết nt, có
h hỏng gây ra vỡ đng ống, … là những vấn đề cực kỳ nan giải đối với bất c
thành phố nào trên thế giới. Dù nhận thc đợc tính chất nghiêm trọng ca vụ việc,

3

nhiều chính quyền thành phố vẫn không khắc phục đợc kịp thi hệ thống ống nớc
do rất khó tiếp cận những đng ống bị bể hoặc rò rỉ. Hiện nay, cách thc đợc áp
dụng là đào đng  những khu vực bị nghi ng h hỏng, dù phơng pháp này rất
bị động và hao tiền tốn ca. Đó là cha kể có những khu vực không thể đào hầm
đợc vì nhiều lý do. Đng trớc vấn đề cấp thiết trên, các nhà nghiên cu tìm cách
chế tạo robot có khả năng di chuyển bên trong đng ống và khắc phục sự cố
(sewer robot).
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nước:
Hiện nay, việc giám sát để sửa chữa, bảo dỡng và vệ sinh các đng ống
thoát nớc  nớc ta vẫn ch yếu dùng sc lao động ca con ngi. Cũng có một
vài robot chuyên dụng nhng ch yếu để thăm dò và đều đợc nhập từ nớc ngoài,
giá thành cao, …
- Robot gần đây nhất có mặt tại Việt Nam vào năm 2003 là robot khảo sát
đng ống ca công ty TNHH một thành viên thoát nớc đô thị tp. Hồ Chí Minh
trong hình 1.2 [1].

Hình 1.2: Robot khảo sát của cty cấp thoát nước tp. Hồ Chí Minh.
Đây là robot nhập khẩu từ hưng CUES ca Mỹ bao gồm: một xe chuyên
dụng và hai robot giám sát. Robot đợc trang bị hai camera riêng biệt dùng để quay
ngang, nghiêng và phóng đại. Hệ thống ghi hình và trình diễn dữ liệu hình ảnh thu
đợc từ đng ống thông qua màn hình TV 14”, độ phân giải 450 dòng, tiêu chuẩn
màu PAL và NTSC, loa gắn trong. Sau khi kết thúc công việc khảo sát sẽ xuất kết
quả ra file video. Chiều dài khảo sát tối đa bằng chiều dài dây cáp là 300m.
4

- Từ tháng 8/2003 đến tháng 3/2004, Công ty thoát nớc & phát triển đô thị
tỉnh Bà Rịa – tp Vũng Tàu đư nghiên cu, chế tạo thành công cụm ti máy nạo vét
cống ngầm theo hình 1.3 [1]. Công trình khoa học này do KS. Hoàng Đc Thảo,

Tổng giám đốc Công ty ch trì với các cộng sự là một số kỹ s và công nhân ca
công ty thực hiện.
Cụm ti này gồm hai hệ thống hoàn chỉnh  hai đầu để điều khiển một thiết
bị nạo vét di chuyển dọc theo trục giữa hai ti, thông qua sợi dây cáp nối vào hai
đầu thiết bị nạo vét. Mỗi cụm ti gồm: một động cơ điện 6-7.5 HP, máng trợt, ti
máy, puly truyền cáp, ống PVC 15x21, dây cáp đng kính 6mm, gàu cha bùn,
quả cầu cho cống Ø600, quả cầu cho cống Ø600-800, quả cầu cho cống Ø800-1200,
gàu múc bùn, …. Qui mô kính thớc: dài x rộng x cao là 1140x800x360mm. Trọng
lợng trung bình: 50-60kg; Công suất làm việc 500-600 kW.

Hình 1.3: Cụm tời nạo vét cống ngầm.
Tháng 11/2011, nhóm sinh viên thuộc khoa Chất lợng cao trng Đại học
S phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh thực hiện đồ án tốt nghiệp với tên đề tài là
“Thiết kế và chế tạo Robot vệ sinh và giám sát đng ống nớc thải” (hình 1.4)
dới sự hớng dẫn ca TS. Nguyễn Trng Thịnh [4]. Robot này có các đặc điểm
sau: robot làm nhiệm vụ vệ sinh và giám sát đng ống nớc thải, robot làm việc 
đng cống có đng kính 300mm, hình thc di chuyển ca robot là bánh xích
đặc biệt, kết cấu cơ khí thì phc tạp, camera hồng ngoại cố định. Robot này đợc
mọi ngi biết đến thông qua các phơng tiện truyền thông, tuy nhiên cha đợc
đa vào sử dụng rộng rưi vì nó còn một số nhợc điểm cần cải thiện nh lààmo
5

robot di chuyển bằng xích nên thng xuyên gặp tr ngại khi môi trng cống 
Việt Nam có nhiều than vụn và đá nhỏ và cụm vệ sinh (phần lỡi cắt) làm việc
cha hiệu quả do môi trng cống rất độc hại, kim loại dễ bị oxi hóa.


Hình 1.4: Mô hình thực tế ca robot vệ sinh và giám sát đng ống nớc thải.
Trong khoảng 10 năm nay, có nhiều nhóm nghiên cu ca các tỉnh, thành
phố trong cả nớc tham gia nghiên cu vào lĩnh vực thoát nớc tạo ra những robot

có khả năng giám sát và vệ sinh đng ống nớc thải. Tuy nhiên, những robot này
vẫn cha đợc biết đến một cách rộng rưi.
1.2.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước:
- Năm 1995, đánh dấu bớc phát triển ca robot KURT (Kanal-
Untersuchungs-Roboter-Testplattform ) tại học viện AIS (Kirchner & Hertzberg,
1997), hình 1.5 [5].
Đặc tính ca robot KURT là một robot tự động có sáu bánh, kích thớc
30×45×30cm, ba bánh hai bên đợc kết nối bằng đai truyền, mỗi bên đợc điều
khiển bằng một động cơ DC, động cơ đợc điều khiển bằng mạch điều khiển riêng
biệt. Về hệ thống máy quay: robot đợc trang bị một camera CCD - camera có thể
quay 180
o
và cho phép ghi lại mọi vật trớc robot, tín hiệu ca camera đợc truyền
thông qua khe cắm ISA – bus với máy tính. Và hệ thống cảm biến gồm hai máy đo
độ nghiêng đặt dới gầm xe và năm đầu dò siêu âm cho phép phát hiện vật cản
trớc và sau robot với khoảng cách tối đa là 100cm và tối thiểu là 1cm.
6


Hình 1.5: Robot tự động KURT.
- Vào năm 1998, robot thăm dò đng ống KARO (hình 1.6 [6]) cũng đợc
nghiên cu và thử nghiệm tại Đc. Dự án đợc tài trợ bi The German Ministry for
Research and Education (BMBF). Sự đổi mới ca KARO chính là sử dụng một dải
nhiều các cảm biến, cụ thể là: cảm biến vi sóng, cảm biến quang học, camera và
cảm biến siêu âm. KARO có thể đợc sử dụng giám sát trong các đng ống biến
dạng, trong các ống dẫn lớn bị nt.

Hình 1.6: Robot đa cảm biến trong đường cống, KARO.
- Vào năm 1997 – 2001, robot MAKRO (hình 1.7 [7]) đợc chế tạo và phát
triển bi một nhóm kĩ s ngi Đc. Đặc tính ca robot MAKRO gồm sáu đoạn

đợc nối liền với nhau bi năm motor điều khiển cho phép robot có thể leo từng
bớc và quay tr lại. MAKRO là robot tự động hoàn toàn, có thể vệ sinh làm sạch
những đng cống có kích thớc trong khoảng 300 đến 600mm trong điều kiện khô
ráo. Đợc duy trì năng lợng bằng pin NiCd, cho phép robot hoạt động liên tục
trong hai gi.
7


Hình 1.7: Robot tự động trong đường ống, MAKRO.
1.2.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn :
Hiện nay, trên thế giới đư có rất nhiều các loại robot đợc chế tạo để phục vụ
cho nhiều mục đích làm việc dới đng ống ngầm. Trong đó, hầu hết là các dạng
robot di chuyển và kiểm tra đng ống, chỉ một số nhỏ robot có khả năng làm sạch
đng ống tuy nhiên họ chỉ mô tả các công trình làm sạch đơn giản, có xu hớng
chuyên ngành. Hệ thống thoát nớc  Việt Nam có đặc điểm là nhiều rác thải, các
đng ống không đồng nhất trên một tuyến đng do đó những robot trên khó có
thể áp dụng vào hệ thống cống  nớc ta. Vì vậy để đáp ng đợc nhu cầu cấp thiết
về giám sát hệ thống đng ống nớc thải  Việt Nam, đề tài này nghiên cu về
việc tích hợp các năng lực khác nhau trên robot để có thể di chuyển và kiểm tra
hoàn thiện nh một robot chuyên nghiệp hoạt động khả thi nhất.
1.3. Mc tiêu vƠ nhim v của đ tƠi :
1.3.1. Mục tiêu của đề tài :
Công việc giám sát hệ thống thoát nớc là một công việc nguy hiểm, độc hại,
ảnh hng đến sc khỏe ngi lao động nh hình 1.8. Bên cạnh đó, để kiểm tra
những đng ống có kích thớc nhỏ, công nhân không thể chui lọt nên không thể
thực hiện đợc công việc giám sát, ta chỉ có thể dùng đèn pin quan sát đoạn đng
ống gần hai đầu hố ga mà không thể thấy sâu vào bên trong đng ống, không thể
thấy đợc những vết nt, những nguy cơ có thể gây ra „hố tử thần‟ hay là những
việc con ngi cố tình tạo ra nh là tự ý thải nớc sản xuất cha đợc xử lý, …
8

Nhằm giải quyết hiện trạng trên, cũng nh sử dụng tự động hóa thay cho sc
lao động và tránh để ngi công nhân làm việc với môi trng độc hại thì việc
nghiên cu, thiết kế robot có chc năng giám sát đng ống nớc thải là mục đích
ca đề tài để có thể đem lại nhiều tiện ích, giảm hao phí lao động và mang lại hiệu
quả kinh tế.


Hình 1.8: Thể hiện trình tự vệ sinh cống của một nhóm công nhân.
Để thỏa mãn những yêu cầu trên thì khi nghiên cu thiết kế robot có chc
năng giám sát đng ống nớc thải, ngi nghiên cu phải đảm bảo một số mục
tiêu:
- Robot phải di chuyển đợc trong môi trng cống tròn,
- Có thiết bị điều khiển từ xa có thể thông qua dây cáp điều khiển,
- Có đng dẫn năng lợng điều khiển và động lực xuống robot,
- Truyền lệnh điều khiển từ trung tâm điều khiển xuống robot và nhận dữ liệu
quay tr lại trung tâm điều khiển,
- Có thể xác định đợc tọa độ các điểm lu ý.
9

1.3.2. Nhiệm vụ của đề tài:
- Tìm hiểu tổng quan ca đề tài, hiện trạng hệ thống thoát nớc  Việt Nam,
- Xây dựng phơng án thiết kế robot giám sát đng ống nớc thải và chọn
phơng án khả thi,
- Thiết kế phần cơ khí, phần điện, phần điều khiển, phần thu nhận tín hiệu,
phần xử lý và lu trữ dữ liệu cho robot,
- Chế tạo thử nghiệm robot, tiến hành thử nghiệm nhiều lần tại phòng thí
nghiệm với nhiều môi trng khác nhau, đánh giá kết quả và hiệu chỉnh,
- Triển khai thực nghiệm tại công ty, hiệu chỉnh và hoàn thiện thiết kế,
- Thực hiện các công việc nh viết báo cáo, chỉnh sửa, in ấn để hoàn tất đề tài.

Do đây là một đề tài rất rộng, môi trng làm việc rất phc tạp lại bao hàm
nhiều kiến thc chuyên môn khác nhau mà thi gian làm luận văn thì có hạn nên
một mình tôi không thể làm đợc tất cả các công việc trên. Vì vậy để thực hiện
hoàn tất đợc đề tài này, tôi và một nhóm – ba em sinh viên cùng thực hiện với từng
công việc đợc phân công cụ thể nh bảng 1.
1.4. Đi tưng vƠ phm vi nghiên cứu :
Đối tợng đợc đề cập trong đề tài là một hệ thống bao gồm bộ phận di
chuyển (xe robot) và bộ phận giám sát (camera) làm công việc giám sát trong môi
trng ẩm ớt, có thể di chuyển linh hoạt xuyên suốt một đoạn ống thẳng, đợc gắn
camera để ngi điều khiển có thể quan sát và kiểm tra tình trạng cống, đồng thi
điều khiển robot vận hành qua một dây cáp.
Đề tài này chỉ nghiên cu thiết kế robot giám sát đng ống nớc thải di
chuyển thẳng trong đng ống tròn có kích thớc 350 † 500 mm, làm việc  môi
trng mực nớc trong đng ống thấp (không quá ½ mực nớc trong ống) và
đng ống đư đợc làm sạch sơ bộ.




10

Bảng 1: Phân công công việc cụ thể từng thành viên
STT
Nội dung công việc
Ngi thực hiện
Ghi chú
1
Tìm hiểu tổng quan ca đề tài, hiện
trạng hệ thống thoát nớc  Việt
Nam

Trần Tuyết Quyên

2
Xây dựng phơng án thiết kế robot
giám sát đng ống nớc thải và
chọn phơng án khả thi
Trần Tuyết Quyên

3
Thiết kế phần cơ khí
Trần Tuyết Quyên

4
Thiết kế phần điện, phần điều khiển,
phần thu nhận tín hiệu, phần xử lý và
lu trữ dữ liệu cho robot
Nguyễn Ngọc An
Lê Minh Đạo
Vũ Ngọc Tuyển

5
Chế tạo thử nghiệm robot
Nguyễn Ngọc An
Lê Minh Đạo
Vũ Ngọc Tuyển

6
Tiến hành thử nghiệm tại phòng thí
nghiệm
Trần Tuyết Quyên

Nguyễn Ngọc An
Lê Minh Đạo
Vũ Ngọc Tuyển

7
Đánh giá kết quả và thử nghiệm
Trần Tuyết Quyên

8
Triển khai thực nghiệm tại công ty,
hiệu chỉnh và hoàn thiện thiết kế
Trần Tuyết Quyên
Nguyễn Ngọc An
Lê Minh Đạo
Vũ Ngọc Tuyển

9
Thực hiện các công việc kết thúc đề
tài
Trần Tuyết Quyên

1.5. Phưng pháp nghiên cứu:
Để hoàn thành tốt mục tiêu đề ra ca đề tài, phơng pháp nghiên cu đợc đa
ra là:
- Nghiên cu các sản phẩm đư có trên thế giới thông qua các phát minh sáng
chế, tài liệu khoa học, các cataloge ca các công ty sản xuất trong và ngoài nớc,
- Khảo sát điều kiện làm việc và các yêu cầu kỹ thuật  hệ thống thoát nớc ca
thành phố,
- Xây dựng phơng án thiết kế robot giám sát đng ống nớc thải và chọn
phơng án khả thi,

11

- Thiết kế phần cơ khí, phần điện, phần điều khiển, phần thu nhận tín hiệu, phần
xử lý và lu trữ dữ liệu cho robot,
- Chế tạo thử nghiệm robot, tiến hành thử nghiệm tại phòng thí nghiệm, đánh
giá kết quả và thử nghiệm,
- Triển khai thực nghiệm tại công ty, hiệu chỉnh và hoàn thiện thiết kế,
- Thực hiện các công việc kết thúc đề tài.
1.6. Thời gian thc hin đ tƠi:
- Tháng 02/2011: Nhận tên đề tài,
- Tháng 02 – 06/2011: Tìm hiểu tình hình nghiên cu trong và ngoài nớc đư
thực hiện các vấn đề có liên quan đề tài,
- Tháng 07 – 12/2011: Thực hiện các nội dung trong phần tổng quan và xác
định các công việc cần thực hiện trong đề tài,
- Tháng 01/2012: Bảo vệ và hiệu chỉnh chuyên đề 2,
- Tháng 02/2012: Thiết kế và chế tạo bộ phận di chuyển,
- Tháng 03/2012: Thiết kế và chế tạo bộ phận giám sát,
- Tháng 04/2012: Thiết kế và chế tạo hệ thống điện – điều khiển,
- Tháng 05/2012: Tiến hành thử nghiệm tại phòng thí nghiệm (Open Lab) và
thực nghiệm tại công ty,
- Tháng 06 - 07/2012: Hiệu chỉnh và hoàn thiện thiết kế,
- Tháng 08 – 09/2012: Thực hiện các công việc kết thúc đề tài.

12

Chưng 2
THIẾT KẾ KẾT CẤU C KHệ

2.1. Lý thuyt v quá trình thit k máy và chi tit máy:
Quá trình thiết kế máy không chỉ đơn thuần là lựa chọn các chi tiết máy mà là
một quá trình sáng tạo, thể hiện ý tng ca ngi thiết kế. Thông thng ngi
thiết kế có thể lựa chọn một trong rất nhiều chi tiết để thực hiện một chc năng nào
đó trong hệ thống cơ khí. Do đó khi đợc cung cấp kiến thc đầy đ về chi tiết máy
thì việc thiết kế máy càng tốt hơn. Để thỏa mãn các yêu cầu chung ca máy, quá
trình thiết kế máy cũng tơng tự quá trình thiết kế một sản phẩm, bao gồm các nội
dung sau:
a) Xác định nhu cầu thị trng về máy thiết kế.
b) Xác định yêu cầu kỹ thuật cho máy.
c) Xác định nguyên lý hoạt động và chế độ làm việc ca máy dự định thiết kế,
lựa chọn phơng án các sơ đồ nguyên lý để chọn ra sơ đồ hợp lý nhất. Hình thành
bộ phận công tác.
d) Lập sơ đồ động chung toàn máy và các bộ phận máy thỏa mãn các yêu cầu
cho trớc. Đề xuất một số phơng án thực hiện, đánh giá và so sánh để tìm ra các
phơng án hợp lý nhất, đáp ng tốt nhất các yêu cầu đư đặt ra. Chọn chng loại chi
tiết phù hợp trên sơ đồ động.
e) Tính công suất cần thiết, chọn động cơ và phân bố tỉ số truyền cho hệ thống
truyền động. Xác định các trị số và đặc tính tải trọng tác dụng lên các bộ phận máy.
f) Chọn vật liệu thích hợp nhằm sử dụng tính chất đa dạng và khác biệt ca vật
liệu để nâng cao hiệu quả và độ tin cậy làm việc ca máy.
g) Tiến hành tính toán động học, lực tác dụng và tính toán thiết kế (kết hợp
thiết kế tối u) nhằm định ra các kích thớc gần đúng ca chi tiết máy và để thỏa

mãn các chỉ tiêu làm việc ca chúng. Trên cơ s đó kết hợp với các yêu cầu về tiêu
chuẩn hóa, lắp ráp, công nghệ chế tạo và các yêu cầu cụ thể khác để xác định lần
cuối kích thớc ca chi tiết máy, bộ phận máy và toàn máy. Tính toán kiểm nghiệm
sau khi đư biết kết cấu để bảo đảm khả năng làm việc, an toàn và tin cậy cho máy…
13

h) Sản xuất thử, điều chỉnh, sửa chữa lại thiết kế…
i) Lập tài liệu thiết kế: thuyết minh, hớng dẫn sử dụng, bảo dỡng và sửa
chữa máy.
2.2. Hin trng công tác giám sát h thng thoát nước đô thị
2.2.1. Tại các đô thị nước ngoài:
 các nớc phát triển, hệ thống thoát nớc và xử lý nớc thải đợc quy hoạch,
thiết kế xây dựng hiện đại, đồng bộ, công tác giám sát và bảo dỡng hệ thống cống
ngầm đợc ng dụng hầu hết bằng cơ giới.
2.2.2. Tại các đô thị trong nước:
Hệ thống thoát nớc công cộng  Việt Nam hoạt động trong những điều kiện
không tốt: nớc thải có thể bị rò rỉ ra ngoài, có thể gây ô nhiễm đất và nớc ngầm.
Thông thng, nớc thải bao gồm các hóa chất thng đợc sử dụng hiện nay.
Chúng cha những thành phần kim loại nặng không có khả năng phân hy sinh học
và có thể tích lũy trong cặn sông, thực vật, côn trùng và cá. Chúng thng có nguồn
gốc từ công nghiệp và có thể gây độc hại cho con ngi và sinh vật.  Việt Nam,
đôi khi, chất thải công nghiệp chảy vào cống hoặc các hộ gia đình luôn luôn xả tất
cả mọi th sản phẩm mà họ sử dụng vào nớc thải. Trong khi đó, hầu hết các đng
ống nớc thải tại Việt Nam có kích thớc cống mà ngi không thể chui qua đơ
̣
c
với đng kính nhỏ hơn 0.8(m). Đó là nguyên nhân đng cống thoát nớc bị tắc
nghẽn, nớc cống bị  đọng, không chảy đợc, gây ngập và ô nhiễm cho khu vực.
Bên cạnh đó, công tác giám sát cống ngầm, kênh mơng thoát nớc  Việt Nam
vẫn cha thực hiện đợc, chỉ nạo vét cống bằng phơng pháp th công là ch yếu .

Công việc này nặng nhọc, độc hại, năng suất lao động thấp, thi công khó khăn,
nhiều nguy hiểm nh hình 2.1. Đặc biệt là tại nhiều vị trí, tuyến cống ngầm, kênh
mơng thoát nớc không thể nạo vét đợc minh họa từ hình 2.2 đến 2.4.
14


Hình 2.1: Hình ảnh bao cát được móc lên từ lòng cống ở đường Tân Kỳ - Tân Quí.

Hình 2.2: Kiểm tra đường ống thoát nước tại vị trí hố ga với đường kính ống 350mm,

Hình 2.3: Bùn và đá bên trong đường ống nước thải 500mm,
15


Hình 2.4: Bùn cao bằng mặt nước bên trong đường ống nước thải 500mm.
2.3. Phân tích và la chọn phưng án thit k:
2.3.1. Yêu cầu kỹ thuật của robot:
Robot làm việc trong môi trng cống rất độc hại, kim loại rất dễ bị ăn mòn
khi tiếp xúc với môi trng này nên ngi nghiên cu chọn vật liệu là thép chất
lợng cao bên ngoài có ph lớp sơn tĩnh điện để hạn chế sự ăn mòn. Ngoài ra, môi
trng làm việc ca robot có nớc nên việc chống thấm cho robot là rất cần thiết.
Ngi nghiên cu sử dụng đệm cao su giữa các mối ghép để mối ghép đợc kín và
sử dụng silicon bao ph mối ghép để robot không bị thấm nớc. Robot di chuyển
thẳng trong đng cống tròn, khoảng cách di chuyển tối đa là giữa hai hố ga. Kích
thớc ca robot phụ thuộc vào đng kính cống và kích thớc ca hố ga. Nhiệm vụ
chính ca robot giám sát đng ống nớc thải là giám sát vì vậy robot đợc yêu cầu
di chuyển chậm với tốc độ 5 km/gi. Ngi nghiên cu cần tính toán khối lợng
ca robot để làm sao thắng nổi lực phản xạ khi robot di chuyển trong môi trng có
nớc. Để robot làm việc đợc trong đng ống có nhiều kích thớc khác nhau thì
robot phải có cơ cấu nâng hạ cụm camera và để robot giám sát đợc mọi góc độ bên

trong đng ống thì cụm camera phải có cơ cấu quay. Ngoài ra sử dụng dây cáp để
robot cung cấp nguồn năng lợng cho động cơ robot và camera hay truyền các lệnh
từ ngi điều khiển đến thiết bị, đồng thi truyền dữ liệu tr lại ngi điều khiển.

16

2.3.2. Nguyên lí hoạt động:
Robot di chuyển bằng 4 bánh xe cân bằng, ổn định vì thông thng bùn cặn sẽ
lắng  đáy cống, còn bánh xe – cả 4 bánh xe - di chuyển trên mặt cong ca thành
cống do đó robot tránh tiếp xúc đợc phần bùn cặn lắng sát đáy cống (robot không
phải vợt qua phần bùn này), mặt khác cả 4 bánh xe đều bám trên thành cống hay
nói cách khác 4 bánh xe ca robot di chuyển trên mặt phẳng song song với mặt đáy
cống do đó robot có khả năng tự định vị và không bị lật khi di chuyển. Robot di
chuyển bằng hệ thống truyền động từ động cơ, truyền qua cơ cấu bánh răng nón dẫn
động tới 2 bánh xe ch động. Một động cơ điều khiển hai bánh xe cùng phía. Khi
bánh ch động quay sẽ truyền chuyển động cho bánh còn lại quay thông qua bộ
truyền xích. Ngoài ra còn có một động cơ điểu khiển nâng hạ cụm camera, một
động cơ điều khiển camera quay ngang (pal) và một động cơ điều khiển camera
quay dọc (tilt).
2.3.3. Phương án đề xuất cho robot giám sát đường ống nước thải:
Đầu tiên phải nói đến u điểm ca robot là có thể thay thế sc lao động ca
con ngi trong các điều kiện con ngi không thể làm việc hoặc ảnh hng đến
sc khỏe do không gian nhỏ hẹp và môi trng độc hại. Bên cạnh đó, hệ thống
thoát nớc ca Việt Nam, đng ống thoát nớc có đng kính từ 300 † hơn 800
mm thng đan xen nhau (hình 2.5). Nếu chỉ thiết kế robot có kích thớc làm việc
phù hợp một kích cỡ đng ống thì khi giám sát thực tế  một khu vực nhỏ điển
hình, ta phải cần nhiều robot cho từng loại kích cỡ đng ống, nh vậy hiệu quả
kinh tế không cao. Đây là lý do ngi nghiên cu lựa chọn kích thớc ca robot
nhỏ gọn và có thể làm việc trong đng ống vừa và nhỏ (350 ÷ 500 mm).

Hình 2.5: Hình ảnh các ống cống có đường kính khác nhau.
17

Th hai, việc các ống cống xuống cấp cũng là lý do cản tr thoát nớc khiến
tình trạng ngập lụt diễn ra. Vì thế nếu không xác định đợc đoạn đng ống nào h
hại thì công việc tiến hành sửa chữa sẽ rất tốn kém thi gian và tiền bạc. Do vậy
robot cần có thể truyền hình ảnh trực tiếp trong lòng cống để ta có thể giám sát
đng cống trong suốt quá trình robot di chuyển. Và vì đng kính đng ống nớc
thải ngi nghiên cu nghiên cu có kích thớc dao động từ 350 ÷ 500 mm, nên
ngi nghiên cu thiết kế bộ phận giám sát có cơ cấu nâng hạ camera để có thể điều
chỉnh kích thớc phù hợp với từng kích cỡ theo yêu cầu và camera đợc lắp trên cơ
cấu quay để ta có thể quan sát rõ từng vị trí bên trong đng ống.
Th ba, với việc phải cung cấp năng lợng cho động cơ robot và bộ phận
camera một cách liên tục. Phần lớn các đng ống nớc thải có kích thớc ngi
không thể chui lọt. Để xử lý các đng ống nh vậy, ngi ta sử dụng nền tảng con
robot đợc điều khiển từ xa. Robot đợc kết nối với bên ngoài bi một dây cáp để
cung cấp năng lợng, truyền các lệnh từ ngi điều khiển đến thiết bị, đồng thi
truyền dữ liệu tr lại ngi điều khiển. Bên cạnh đó, dây cáp còn có vai trò nh một
sợi dây sống còn trong trng hợp robot bị mắc kẹt trong đng ống và là dây đo
khoảng cách robot đi đợc. Một phơng án khác thay thế cho hệ thống điều khiển
bằng dây cáp là một robot tự động có thể điều khiển từ xa không dây. Tuy nhiên,
việc thực hiện liên kết thông tin liên lạc và cung cấp điện tr nên khó khăn hơn, đó
là một bất lợi lớn so với tính di động đạt đợc. Hệ thống thoát nớc là một môi
trng độc hại đối với các robot làm việc vì thông thng cống là một nơi hẹp,
trơn, bẩn và ẩm ớt. Trong lòng cống có thể gặp tất cả các mc độ ngập nớc trong
một đng ống thoát nớc, từ khô đến hoàn toàn bị ngập lụt và có thể bao gồm các
chớng ngại vật nh trầm tích và bị h hại nh các vết nt, lỗ, nút giao trong xây
dựng hoặc rễ cây phát triển đâm xuyên thành đng ống. Để đi theo chính xác
tuyến đng đư vạch, để cung cấp thông tin hữu ích và kịp thi cho ngi điều
khiển, định vị chính xác là không thể thiếu. Do đó, việc sử dụng dây cáp để truyền

năng lợng , tín hiệu là phơng án tối u nhất.
Cuối cùng, hệ thống thoát nớc  Việt Nam thng đợc thiết kế để thoát
chung cho cả nớc ma và nớc thải, hệ thống thoát nớc thng đợc xây dựng
với đng kính, độ dốc nhỏ và tốc độ dòng chảy thấp, đư gây ra sự lắng đọng và tắc