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

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

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

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


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,

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


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.

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

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.
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 .

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).


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

Trích đoạn Về điều khiển robot ầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầ

---