TÓM TẮT robot thăm dò đường ống bên trong lòng ống 

I. Nội dung học tập

Dựa trên kiến thức đã được học tại trường và theo sự phân công của bộ môn, nhóm sinh viên chúng em có cơ hội tìm hiểu và thực hiện đề tài “Thiết kế và chế tạo robot thăm dò đường ống”. Quá trình thực hiện đề tài được triển khai qua các nội dung chính như sau:

• Nghiên cứu thị trường về thiết bị máy móc trong ngành cơ khí, đặc biệt là các thiết bị phục vụ cho việc kiểm tra và bảo trì hệ thống đường ống.

• Tìm hiểu mức độ ứng dụng và hiện trạng nghiên cứu các loại robot thăm dò đường ống trong môi trường học đường và tại các cơ sở công nghiệp ở TP. Hồ Chí Minh.

• Phân tích nguyên lý hoạt động và quy trình chế tạo robot thăm dò đường ống.

• Thu thập các cơ sở lý thuyết, định nghĩa và kiến thức chuyên ngành có liên quan.

• Tính toán và thiết kế các bộ phận cơ khí, điện tử và lập trình điều khiển cho robot.

• Chế tạo mô hình robot và tiến hành thử nghiệm kiểm tra thực tế.

II. Kết quả đạt được

• Tiếp thu và tổng hợp được khối lượng lớn kiến thức lý thuyết và kinh nghiệm thực tiễn.

• Tính toán, thiết kế và chế tạo thành công robot thăm dò đường ống.

• Chế tạo được mô hình hoàn chỉnh có khả năng hoạt động.

• Mở hướng nghiên cứu phát triển sản phẩm cho các ứng dụng thực tế trong công nghiệp.

• Nâng cao kỹ năng làm việc nhóm, kỹ năng giải quyết vấn đề và tinh thần trách nhiệm trong công việc.

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong thế kỷ XXI – thời đại của khoa học công nghệ và tự động hóa, các thiết bị máy móc hiện đại đang dần thay thế lao động thủ công trong nhiều lĩnh vực. Đặc biệt, trong các ngành công nghiệp như xử lý nước, hóa chất, dầu khí… hệ thống đường ống đóng vai trò then chốt nhưng thường được bố trí ở những vị trí khó tiếp cận, tiềm ẩn nhiều nguy hiểm cho con người trong quá trình kiểm tra, sửa chữa.

Trước thực tế đó, việc chế tạo các thiết bị tự động như robot thăm dò đường ống trở nên cấp thiết. Những thiết bị này không chỉ góp phần nâng cao hiệu quả lao động, đảm bảo an toàn mà còn phù hợp với xu hướng phát triển của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0.

Nhận thấy tầm quan trọng này, nhóm sinh viên thực hiện đề tài nhằm mục tiêu:

• Ứng dụng kiến thức đã học để giải quyết vấn đề thực tiễn.

• Nâng cao kỹ năng thực hành, thiết kế và chế tạo thiết bị cơ khí – điện tử tích hợp.

• Góp phần tạo tiền đề phục vụ cho công tác giảng dạy và nghiên cứu trong nhà trường.

1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

• Đề tài là cầu nối giữa lý thuyết và thực tiễn, giúp sinh viên hiểu rõ hơn về nguyên lý làm việc, kỹ thuật điều khiển, cơ cấu cơ khí trong thực tế sản xuất.

• Là tài liệu tham khảo hữu ích cho các sinh viên khác trong khoa, từ đó phát triển các phiên bản nâng cao, ứng dụng sâu hơn vào công nghiệp.

• Có thể mở rộng để ứng dụng trong các lĩnh vực như: kiểm tra đường ống nước, đường ống hóa chất, đường ống dẫn khí…

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

• Củng cố kiến thức chuyên môn về cơ khí, điện – điện tử, lập trình điều khiển.

• Xây dựng được nguyên lý hoạt động hoàn chỉnh cho robot thăm dò đường ống.

• Tính toán chính xác các thông số kỹ thuật cần thiết cho robot như: vận tốc, kích thước, tải trọng, thời gian hoạt động...

• Thiết kế và chế tạo được mô hình thực nghiệm.

• Đề xuất được hướng phát triển, cải tiến sản phẩm trong tương lai.

• Ứng dụng mô hình phục vụ công tác đào tạo và giảng dạy tại trường.

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Do hạn chế về thời gian và năng lực, đề tài tập trung vào:

• Thiết kế cơ khí, lựa chọn linh kiện điều khiển và lập trình chức năng cơ bản cho robot.

• Chế tạo mô hình thử nghiệm có khả năng di chuyển và thu thập hình ảnh trong đường ống.

• Không mở rộng sang các yếu tố thương mại hóa hoặc ứng dụng trong môi trường có chất độc hại, phức tạp.

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu

• Robot thăm dò đường ống, tập trung vào các hệ thống ống thép công nghiệp đang được sử dụng phổ biến trong nhà máy, khu công nghiệp, hệ thống cấp thoát nước...

Hình 1.4.1: Một số hình ảnh về ống thép công nghiệp trên thị trường
(chèn hình ảnh minh họa nếu có)

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu

• Do hạn chế về thời gian và năng lực, đề tài tập trung vào:

  • Thiết kế cơ khí, lựa chọn linh kiện điều khiển và lập trình chức năng cơ bản cho robot.

  • Chế tạo mô hình thử nghiệm có khả năng di chuyển và thu thập hình ảnh trong đường ống.

  • Không mở rộng sang các yếu tố thương mại hóa hoặc ứng dụng trong môi trường có chất độc hại, phức tạp.

1.5.  Phương pháp nghiên cứu

1.5.1  Cơ sở phương pháp luận

-          Phương pháp nghiên cứu là những nguyên tắc và cách thức hoạt động khoa học nhằm đạt đến chân lý khách quan dựa trên cơ sở của sự chứng minh khoa học. Theo định nghĩa này cần phải có những nguyên tắc cụ thể và dựa theo đó các vấn đề được giải quyết.

-          Nghiên cứu quy trình công nghệ cách thức hoạt động của máy từ đó đưa ra bản vẽ nguyên lý làm việc.

1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể

-             Phương pháp khảo sát thực tế: tìm hiểu tất cả các trường cơ khí trên địa bàn Thành phố Hồ Chí Minh này đã có máy này chưa. Tìm hiểu thị trường loại máy này đã có mặt trên thị trường hay không

-             Phương pháp thu thập dữ liệu: TÌm hiểu trên sách, trên internet, trên youtube và những phương triện đại chúng khác.

-             Phương pháp phân tích đánh giá: dựa vào dữ liệu đã thu thập được, tham khảo ý kiến của thầy hướng dẫn, lên bảng vẽ mô phỏng hình dạng 3D.

-             Phương pháp tổng hợp: sau khi đã có đầy đủ thông tin, số liệu cần thiết và những gì được chứng kiến trong thực tế kết hợp với kiến thức chuyên ngành cảu chúng em, chúng em đã đưa ra những nhận xét, đánh giá khách quan để từ đó đưa ra cách thiết kế chế tạo hợp lý nhất.

-             Phương pháp mô hình hoá: là mục tiêu chính của đề tài, tạo cho chúng em có có hội để ôn lại kiến thức đã học và học hỏi được nhiều kinh nghiệm trong thực tiễn. Việc chế tạo mô hình giúp kiểm nghiệm được lý thuyết và sữa chữa những chỗ sai mà phương pháp lý thuyết không thể thấy được.

1.6 Tổng quan về robot thăm dò đường ống

1.6.1 Robot thăm dò đường ống trong thực tế

Robot thăm dò đường ống là thiết bị tự động được thiết kế để thay thế con người trong việc di chuyển bên trong các hệ thống ống dẫn – nơi thường có kích thước hẹp, thiếu ánh sáng, hoặc tiềm ẩn nhiều nguy hiểm. Robot có nhiệm vụ quan sát, kiểm tra, phát hiện và đôi khi hỗ trợ khắc phục các hư hỏng bên trong đường ống.

Hiện nay, loại robot này đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi ở các nước phát triển, phục vụ các ngành như: cấp thoát nước, dầu khí, điện lực, năng lượng... nhằm tăng hiệu quả bảo trì và giảm chi phí vận hành. Tại Việt Nam, việc ứng dụng loại robot này đang được chú ý trong các hệ thống cống ngầm, thoát nước đô thị và các khu công nghiệp.

Hình 1.6.1 – Robot thăm dò đường ống
(Chèn hình ảnh mô phỏng hoặc thực tế nếu có)

1.6.2 Khảo sát thực tế và điều kiện làm việc của robot

• Ở Việt Nam, robot thăm dò đường ống bắt đầu được quan tâm trong lĩnh vực thoát nước đô thị, nhằm phát hiện rủi ro như: tắc nghẽn, vết nứt, sạt lở hoặc hư hỏng. Tuy nhiên, các robot chuyên dụng hiện nay chủ yếu được nhập khẩu từ nước ngoài với chi phí rất cao, đồng thời yêu cầu kỹ thuật bảo trì, sửa chữa khá phức tạp.

• Nhằm đáp ứng nhu cầu kiểm tra, bảo trì hệ thống đường ống thoát nước có đường kính từ Ø300 trở lên, đề tài đưa ra giải pháp thiết kế và chế tạo một mô hình robot có khả năng:

  • Di chuyển linh hoạt trong ống tròn kích thước lớn.

  • Chịu được môi trường ẩm ướt và điều kiện khắc nghiệt.

  • Truyền hình ảnh quan sát bên trong đường ống thông qua hệ thống camera đến phần mềm quan sát.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Yêu cầu đối với sản phẩm

Sản phẩm robot thăm dò đường ống cần đáp ứng những yêu cầu cơ bản sau:

• Có khả năng di chuyển ổn định và linh hoạt trong đường ống có đường kính nhỏ.

• Có hệ thống quan sát (camera) để ghi lại hình ảnh bên trong đường ống.

• Có khả năng truyền dữ liệu hình ảnh ra bên ngoài để người vận hành dễ dàng giám sát.

Hình 2.1 – Robot vận hành bên trong đường ống
(Chèn ảnh mô tả nếu có)

2.2 Quy trình thăm dò bên trong đường ống

Để thực hiện kiểm tra đường ống bằng robot, quy trình vận hành gồm các bước:

1. Đặt robot vào đường ống cần kiểm tra.

2. Khởi động robot để di chuyển bên trong ống.

3. Sử dụng camera trên robot để ghi nhận và quan sát hình ảnh bên trong.

4. Sau khi hoàn tất kiểm tra, di chuyển robot ra khỏi đường ống.

5. Phân tích dữ liệu và thực hiện các phương án sửa chữa (nếu cần).

2.3 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu trong đề tài là hệ thống robot thăm dò đường ống công nghiệp, cụ thể là:

• Các loại đường ống bằng thép, bê tông hoặc nhựa với đường kính Ø300mm trở lên.

• Môi trường làm việc trong ống có độ ẩm cao, thiếu ánh sáng và có thể có cặn bẩn.

• Cấu trúc cơ khí và điều khiển của robot phù hợp với không gian chật hẹp và bề mặt trơn trượt.

Đây là giải pháp thay thế hiệu quả cho các phương pháp kiểm tra thủ công vốn tốn thời gian và tiềm ẩn nhiều rủi ro.

2.4 Nguyên lý làm việc của robot

Nguyên lý hoạt động của robot thăm dò đường ống được mô tả như sau:

• Khi robot được đưa vào trong ống, hệ thống phuộc (lò xo nén) sẽ tự động ép các bánh xe ra sát thành ống, giúp tăng độ bám và tránh trơn trượt.

• Người điều khiển bật công tắc điều hướng "thuận", robot sẽ tiến vào trong ống. Hệ thống camera được bật để quan sát.

• Sau khi hoàn tất kiểm tra, người điều khiển chuyển sang công tắc "nghịch", robot sẽ quay đầu và di chuyển ra khỏi ống theo chiều ngược lại.

2.5 Nhiệm vụ của đề tài

Đề tài tập trung vào việc nghiên cứu và chế tạo một mô hình robot thăm dò đường ống, nhằm thực hiện các chức năng:

• Phát hiện nhanh các sự cố bên trong đường ống như: nứt, nghẹt, vỡ...

• Giảm bớt sự vất vả và nguy hiểm cho công nhân bảo trì.

• Tiết kiệm thời gian kiểm tra, nâng cao hiệu quả làm việc.

Ưu điểm của robot thăm dò đường ống:

• Giảm sức lao động cho con người.

• Tiết kiệm thời gian và chi phí kiểm tra, sửa chữa.

• Dễ sử dụng, dễ bảo trì.

•  

CHƯƠNG 4: LẮP RÁP VÀ CHẠY THỬ NGHIỆM

4.1 Lắp ráp robot

4.1.1 Yêu cầu kỹ thuật khi lắp ráp

Trong quá trình lắp ráp robot, cần đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật và an toàn như sau:

• Sử dụng các dụng cụ như: búa, máy cắt, máy hàn, máy khoan tay,... phải đảm bảo an toàn trong thao tác, tránh để xảy ra tai nạn lao động.

• Tính toán phương án vận chuyển hợp lý, đảm bảo yếu tố kỹ thuật, kinh tế và an toàn.

• Có chế độ kiểm tra nghiêm ngặt trong từng giai đoạn lắp ráp.

• Lắp ráp các chi tiết đúng theo yêu cầu kỹ thuật và đúng với bản vẽ chi tiết đã thiết kế.

• Sau khi lắp ráp hoàn chỉnh, cần kiểm tra toàn bộ các thiết bị an toàn trước khi vận hành.

• Kiểm tra, dò tìm các khuyết tật sau khi lắp ráp hoàn chỉnh.

• Đảm bảo toàn bộ hệ thống bu lông, đai ốc được siết chặt đủ lực.

• Robot chỉ được phép chạy thử trong đường ống sau khi đã hoàn tất kiểm tra lắp đặt và chạy thử không tải, đảm bảo an toàn tuyệt đối.

4.1.2 Quy trình lắp ráp robot

Quy trình lắp ráp được thực hiện theo các bước như sau:

1. Nghiên cứu bản vẽ chi tiết, tìm hiểu chức năng và phân loại chi tiết, xác định các yêu cầu kỹ thuật và công nghệ lắp ráp.

2. Chuẩn bị đầy đủ dụng cụ chuyên dùng để hỗ trợ căn chỉnh và thao tác trong quá trình lắp ráp.

3. Lắp cánh tay đòn và phuộc nhún vào trục chính của thân robot.

4. Gá động cơ lên chi tiết đỡ, nằm trên cánh tay đòn.

5. Lắp bánh xe vào trục động cơ.

6. Lắp đặt mạch điện và hệ thống điều khiển.

7. Lắp camera quan sát và hệ thống đèn chiếu sáng.

8. Tổng kiểm tra toàn bộ hệ thống gồm: tủ điện, công tắc, đèn, mạch điều khiển, camera, động cơ,… đảm bảo an toàn trước khi vận hành.

4.2 Chạy thử nghiệm

4.2.1 Yêu cầu khi chạy thử

• Robot phải di chuyển được bên trong các loại ống có biên dạng khác nhau, kể cả ống đứng.

• Hệ thống camera truyền được hình ảnh quan sát rõ ràng từ bên trong đường ống về thiết bị hiển thị (qua ứng dụng tích hợp).

4.2.2 Quá trình chạy thử nghiệm

• Lần chạy thử 1:
  Robot chỉ chạy được trong ống nằm ngang và ống nghiêng khoảng 60 độ. Không chạy được trong ống đứng do tốc độ động cơ quá nhanh, gây khó khăn cho camera khi quan sát (hình ảnh bị mờ).

• Lần chạy thử 2:
  Robot không thể hoạt động được do lỗi lắp động cơ bị lệch, dẫn đến cơ cấu truyền động không chính xác. Sau đó, nhóm đã xác định nguyên nhân, tiến hành khắc phục và lắp lại đúng vị trí.

• Lần chạy thử 3:
  Kết quả đúng như mong đợi. Robot có thể di chuyển tốt trong ống đứng, bám chắc thành ống, không bị trượt. Hình ảnh từ camera rõ ràng, tốc độ động cơ đã được điều chỉnh phù hợp giúp robot di chuyển ổn định.

Kết luận: Sau quá trình chạy thử, robot đã đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật đặt ra, bao gồm khả năng leo ống đứng và quan sát hình ảnh từ bên trong đường ống một cách hiệu quả.

4.3 Hướng dẫn bảo quản robot

• Bảo trì định kỳ các bộ phận chuyển động.

• Kiểm tra robot trước mỗi lần vận hành, đặc biệt là bánh xe, động cơ và hệ thống điều khiển.

• Bôi trơn ti phuộc để tránh rỉ sét và giảm ma sát.

• Kiểm tra hệ thống điện, đảm bảo dây dẫn và mạch điện không bị hở hay chập.

4.4 Hướng dẫn vận hành robot

1. Đặt robot vào trong đường ống, sao cho các bánh xe tiếp xúc đều với thành ống.

2. Kết nối nguồn điện cho robot. Mở công tắc nguồn để khởi động hệ thống.

3. Bật công tắc đảo chiều để chọn hướng di chuyển của robot (tiến/lùi).

4. Sử dụng núm điều chỉnh tốc độ (PWM) để điều khiển tốc độ di chuyển phù hợp.

5. Quan sát hình ảnh từ camera được truyền về thiết bị hiển thị để theo dõi quá trình thăm dò bên trong đường ống.

6. Trong trường hợp gặp chướng ngại vật, gạt công tắc để dừng robot và tiến hành xử lý.

KẾT LUẬN

• Sau một thời gian dài thực hiện đề tài, mặc dù gặp nhiều khó khăn do ảnh hưởng của đại dịch COVID-19, nhóm chúng em đã cố gắng nỗ lực tối đa để hoàn thành đúng tiến độ được giao. Trong quá trình thực hiện, nhóm đã có cơ hội ôn tập lại các kiến thức chuyên ngành cơ khí đã học, đồng thời tiếp cận và tìm hiểu thêm nhiều phương pháp gia công và công nghệ mới, từ đó tạo nền tảng tốt cho quá trình học tập và làm việc sau này.

• Với điều kiện thời gian và kinh nghiệm còn hạn chế, chắc chắn đề tài không tránh khỏi những thiếu sót. Nhóm rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, chỉ dẫn tận tình của quý thầy cô để giúp chúng em tiếp tục hoàn thiện bản thân, nâng cao trình độ chuyên môn và kỹ năng thực hành nhằm phục vụ tốt hơn cho công việc thực tế sau này.

• Trong phạm vi nghiên cứu cho phép và khả năng hiện có, nhóm đã hoàn thành được các nội dung chính như sau:

  • Chế tạo thành công robot thăm dò đường ống có khả năng di chuyển trong ống nằm ngang, ống nghiêng và ống đứng, đồng thời truyền hình ảnh qua camera phục vụ quan sát.

  • Hoàn thiện đầy đủ các bản vẽ thiết kế 2D và 3D của robot bằng phần mềm chuyên dụng.

  • Nâng cao kỹ năng chuyên môn trong lĩnh vực cơ khí chế tạo, lắp ráp và điều khiển robot.

  • Phát triển tinh thần làm việc nhóm, khả năng phối hợp, lập kế hoạch và giải quyết vấn đề thực tế trong quá trình thực hiện đề tài.