THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT ĐƯỜNG ỐNG
KS.Võ Anh Huy
PGS.TS.Đặng Văn Nghìn
[email protected]; [email protected] .
Bộ môn Cơ Điện Tử - Khoa Cơ Khí, Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh
TÓM TẮT

Nội dung chính của bài báo là giới thiệu một loại
robot dường ống có nhiều ứng dụng khác nhau .
Robot này bao gồm một phần di chuyển theo dọc
chiều dài ống có nhiệm vụ dẫn hướng, phần còn lại
giữ vai trò chính là tạo ra lực bám trên thành ống
bằng chuyển động của các bánh xe. Một động cơ DC
được đặt giữa những bộ phận liên kết dùng để tạo ra
sự chuyển động của robot. Tất cả các bánh xe của nó
bám sát vào mặt trong của ống và có thể thay đổi tùy
theo đường kính của ống như 180 đến 240 mm. Robot
có thể được điều khiển từ xa không dây thông qua
sóng radio, trong bài báo này dùng cách điều khiển có
dây.

ABSTRACT

The paper presents an original robot architecture for
in-pipe with multi functional. The robot consists of a
universal joint guided along the pipe by a set of
wheels moving parallel to the axis of the pipe, while
the other part is friction forced about the axis of the

sau, cụm dẫn hướng giữa có nhiệm vụ liên kết và
tham gia dẫn hướng cho robot khi robot đi qua đọan
ống có hướng thay đổi. Robot được điều khiển bằng
máy tính nhờ sự kết hợp của hai camera bố trí trên hai
cụm dẫn hướng đầu của robot để đưa dữ liệu hình ảnh
mà nó nhận được về máy tính.
Robot được thiết kế đủ lực kéo để leo qua các đường
ống thẳng đứng đồng thời kéo theo cáp dẫn. Lực này
được cung cấp bởi hai bộ cụm truyền động nằm phía
trước và phía sau robot. Mỗi cụm có các cơ cấu bánh
xe linh hoạt áp lên thành ống, ma sát giữa bánh xe và
mặt trong ống tạo ra lực kéo để robot di chuyển.
Trong quá trình di chuyển về phía trước cụm truyền
động phía trước tạo lực kéo, cụm sau tạo lực đẩy và
ngược lại.
Hình 1 : Cấu trúc của robot đường ống robot đường
ống.

Bộ phận dẫn động và bộ phận dẫn hướng được nối lại
với nhau qua cơ cấu bẻ lái như Hình 2 . Cả hai đều
có ba cơ cấu chân bánh xe xếp cách đều 120 độ tròn
chung quanh thân chính. Ba chân bánh xe thay đổi
chiều dài đồng thời nhờ tác động từ lò xo bố trí như
Hình 2. Lò xo tác động lên cơ cấu chân bánh xe phát
sinh lực ép lên thành ống. Trên robot thiết kế, lực kéo
phát sinh từ các bánh xe và được truyền động bởi một
động cơ DC đặt trên đoạn thân sau. Momen động cơ

đường ống có những giới hạn về mặt kích thước hình
học nên robot đường ống cần được thiết kế thoả mãn
các giới hạn đó di chuyển qua được các đọan ống
cong. Trong những giới hạn trên, thì độ cong của
đường ống là trở ngại lớn nhất bởi vì robot sẽ gặp khó
khăn khi kích thước của nó q to hay q dài. Thực
tế các tiêu chuẩn về đường cong của ống phải có bán
kính lớn hơn 2/3 lần đường kính của ống. Do vậy mỗi
cụm của robot cần thoả mãn điều kiện trên để có thể
di chuyển được.
Chúng tơi sẽ minh hoạ một co vng (900) và tính
tốn kích thước cho mỗi cụm trên robot. Một cụm của
robot đường ống có thể được mơ phỏng đơn giản như
là một khối trụ như hình 3. Sau đó robot có thể xem
như gồm nhiều cụm liên kết với nhau và ta có thể rút
ra mối liên hệ giữa đường kính ống, độ cong, và kích
thước của mỗi module, vị trí khó nhất của một
module là nằm nghiêng 450. Trong trường hợp này,
ta có thể xem xét 2 trường hợp:
a) Chiều rộng của cụm W nhỏ hơn chiều dài h và cà
hai đầu đều nằm ở phía ngòai đọan cong (hình 3a).
b) Cả hai đầu của module đều nằm ở phía trong đọan
cong (hình 3b).
Tùy theo trường hợp mà ta có thể rút ra các phương
trình ràng buộc quyết định kích thước của cụm và
được tính tóan như sau

Hình 3 : Cụm di chuyển qua khúc co.

Trong trường hợp a(hình 3a) chiều rộng W có ràng

R=D= 220mm
Xét trường hợp a) có w lớn nhất
w = ((R+D/2)sin450 - (R - D/2))
= (220+110).sin450 - (220-110)
= 123 mm
Nhận xét thấy kết cấu phù hợp nhất để có thể chế tạo
với các điều kiện kỹ thuật hiện có thì w có giá trị
khoảng 180mm trở lên.
Vậy với w trên thì ta có h thuộc trường hợp

Bộ phận dẫn
động

Cơ cấu bẻ lái
Bộ phận dẫn hướng
b)hmax=2 = 315 mm.
Với các giá trị giới hạn w và h ta định ra kích thước
bao cho từng cụm robot.
Dưới đây là hình vẽ chi tiết của một số bộ phận chính
của mô hình robot như trên hình 4, hình 5 và hình 6 Hình 4: Kết cấu cụm dẫn động

1.Bánh xe; 2.Bánh đai; 3.Khung nhôm; 4.Thân cố
định; 5. Cữ chặn; 6.Thân trượt; 7.Lò xo; 8.Trục vit-
bánh vit; 9.Động cơ truyền động; 10. Bánh đai;
11.Dây đai.

Cụm dẫn động họat động nhờ động cơ (9) và bánh

truyền moment từ động cơ đến nửa cầu trên, liên kết
bên ngoài là cơ cấu cứng chỉ dùng nối kết hai khâu,
và ngăn cản dịch chuyển tương đối giữa chúng. Khớp
nối xiên xoay quanh trục nghiêng. Lần lượt cho nửa
cầu trên và nửa cầu dưới xoay, ta thu được chuyển
động tương đối của khớp như Hình 8a, Hình 8b là
trường hợp nửa cầu trên xoay và Hình 8c diễn tả nửa
cầu dưới xoay, đây là nguyên lý làmviệc cơ bản của
cơ cấu. Chuyển động quay mong muốn được thực
hiện bằng cách phối hợp góc xoay của hai nửa cầu. Hình 8 : Nguyên lý hoạt động cơ cấu bẻ lái

Hình 9 mô tả sơ đồ động học đơn giản hóa, với Ji và
i là khớp thứ i và góc quay của nó, li là khoảng cách
giữa hai khớp, Li là khâu thứ i. Trong cơ cấu nêu
trên, khớp J1 và J3 là các khớp truyền chủ động.
Khớp các-đăng trong và ngoài được biểu diễn trên sơ
đồ lần lượt bởi các cặp khớp J4,J5 và J6,J7. Khớp J2
nghiêng và hai khớp các-đăng thụ động quanh nó
ngăn cản chuyển động xoay tương đối giữa hai khâu
L1 và L2 quanh trục dọc. Hình 9 : Sơ đồ động học đơn giản hóa

Không gian hoạt động của cơ cấu được vẽ như Hình
11 với tâm hình cầu là tâm xoay của khớp, S là đầu
của khâu kế tiếp. Sự hình thành không gian hoạt động
7. KẾT LUẬN

Robot đường ống do chúng tôi chế tạo có khả năng
làm việc trên những đoạn dường ống cong 900 và
cong dạng chữ T. Nhờ có cơ cấu lò xo trong cụm dẫn
động và cụm dẫn hướng nên các bánh xe luôn bám
lên bề mặt đường ống khá đều làm cho robot di
chuyển nhẹ và êm. 8. TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]Nguyễn Ngọc Cẩn. Kỹ thuật điều khiển tự động.
NXB Đại Học Quốc Gia Tp.HCM, (2000)
[2]Nguyễn Hữu Lộc. Cơ sở thiết kế máy. NXB
ĐHBK TP.HCM
[3]TS.Lê Hoài Quốc, Chung Tấn Lâm. Nhập môn
robot công nghiệp. NXB Khoa học và Kĩ thuật,
(2002)
[4]Ngô Diên Tập. Lập trình ghép nối máy tính trong
Windows. NXB Khoa học và Kĩ thuật, (1997)
[5]Trần Văn Uẩn. Bài tập cơ học lý thuyết. NXB
ĐHBK TP.HCM.
[6]Richard S.Wright JR, Michael Sweet . OpenGL
Superbible. Waite Group Press.
[7]Robert N.Bateson. Introduction to Control System
Technology. Macmilian Publishing Company, New
York, 1989