BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

NGUYỄN HOÀNG TRUNG KIÊN

THIẾT KẾ CHẾ TẠO ROBOT
KIỂM TRA CỌC BÊ TÔNG LY TÂM
SAU KHI ÉP
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
Mã số ngành: 60520114

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 5 năm 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

NGUYỄN HOÀNG TRUNG KIÊN

THIẾT KẾ CHẾ TẠO ROBOT
KIỂM TRA CỌC BÊ TÔNG LY TÂM
SAU KHI ÉP
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
Mã số ngành: 60520114
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Bùi Thanh Luân

Phản biện 2
Ủy viên
Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

TS. Nguyễn Thanh Phương


TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

TP. HCM, ngày 20 tháng 5 năm 2017

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Hồng Trung Kiên

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 29/08/1990

Nơi sinh: Bến Tre

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ
cơng trình nào khác.
Tơi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn
gốc.
Học viên thực hiện Luận văn
(Ký và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Hoàng Trung Kiên


ii

LỜI CÁM ƠN
Trong quá trình thực hiện luận văn tác giả gặp rất nhiều khó khăn nhưng nhờ có
sự tận tâm hết lòng giúp đỡ của Thầy TS. Bùi Thanh Ln nên giúp tơi có thể hồn
thành luận văn. Lời cảm ơn đầu tiên và chân thành nhất tôi xin được gửi đến Thầy
TS. Bùi Thanh Luân.
Xin cảm ơn toàn thể các Thầy, Cô của Trường Hutech đã truyền đạt kiến thức và
tạo điều kiện tốt nhất để tơi có thể hoàn thành luận văn một cách tốt đẹp.

TP.HCM, ngày 14 tháng 5 năm 2017
(Họ và tên của Tác giả Luận văn)

Nguyễn Hoàng Trung Kiên



signals from the sensor I studies of filtering algorithms Kalman noise filter will help
reduce the errors returned from the sensor, The camera portion of the observation
image is sent to the computer.
The thesis consists of 6 parts: chapter 1 presents an overview, chapter 2 of
mechanical design, chapter 3 simutates the force, chapter 4 designs tilt
measurement, chapter 5 models and experimental results.


v

MỤC LỤC
Tên đề mục

Trang

Lời cam đoan

i

Lời cảm ơn

ii

Tóm tắt luận văn

iii

Abstract

iv


1

1.1.4 Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu

1

1.1.5 Giới hạn đề tài

2

1.2. Tổng quan

2

1.3. Các cơng trình nghiên cứu liên quan

5

1.3.1. Các cơng trình nghiên cứu trong nước
1.3 Nhận xét chung
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ

5
32
36

2.1 Các yêu cầu thiết kế

36

3.4 Thanh đẩy cơ cấu bung

46

3.5 Thanh sườn đứng cơ cấu bung

48

3.6 Mặt bích dưới của robot

49

3.7 Mơ phỏng lực tác dụng lên toàn khung robot

51

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO ĐỘ NGHIÊNG
4.1 Thiết kế kiểm tra độ nghiêng

57
57

4.1.1 Nguyên lý

57

4.1.2 Phần cứng

59


71

5.1.3 Phần thân robot

72

5.1.4 Nhận tín hiệu

73

5.2 Thực nghiệm và kết quả

73

5.2.1 Một số hình ảnh thực nghiệm cơng trình Hutech (khu cơng nghệ cao)74
5.2.2 Một số hình ảnh thực nghiệm cơng trình (250 Cao Thái Sơn, GV)

77

5.1.2 Tiến hành thực nghiệm

79

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

87

6.1 Kết quả thực hiện

87


44

Bảng 3.6 Kết quả mô phỏng thanh bung bánh xe

46

Bảng 3.7 Kết quả mô phỏng thanh đẩy

47

Bảng 3.8 Kết quả mô phỏng thanh sườn đứng

49

Bảng 3.9 Kết quả mơ phỏng mặt bích dưới

51

Bảng 3.10 Thơng số lực tác dụng

51

Bảng 3.11 Thông số các chi tiết mô phỏng

52

Bảng 3.12 Kết quả mô phỏng khung robot

56

Hình 1.17 Mơ hình robot đường ống ..................................................................... 12
Hình 1.18 Cơ cấu của Robot .................................................................................. 13
Hình 1.19 Các bộ phận một cơ cấu bung của robot ................................................ 13
Hình 1.20 Cấu tạo bánh xích ................................................................................. 14
Hình 1.21 Cơ cấu bung của Robot khi gặp vật cản................................................. 14
Hình 1.22 Sơ đồ phần cứng robot ống. .................................................................. 15
Hình 1.23 Robot cho các đường ống khác nhau ..................................................... 16
Hình 1.24 Mơ hình robot ....................................................................................... 17
Hình 1.25 Thiết kế cho ống 70mm......................................................................... 17
Hình 1.26 Mẫu 1.................................................................................................... 18
Hình 1.27 Mẫu 2.................................................................................................... 19
Hình 1.28 Robot Moritz......................................................................................... 20


x

Hình 1.29 Mơ hình khi di chuyển .......................................................................... 20
Hình 1.30 Mơ hình của robot ................................................................................. 21
Hình 1.31 Kích thước của robot............................................................................. 22
Hình 1.32 Các bộ phận trên robot .......................................................................... 22
Hình 1.33 Khả năng thích nghi với các đường ống của robot ................................. 23
Hình 1.34 Hoạt động trong đường ống đứng.......................................................... 23
Hình 1.35 Mơ hình thực tế robot rắn ...................................................................... 24
Hình 1.36 Thực nghiệm chui vào đường ống ......................................................... 24
Hình 1.37 Mơ hình robot Explore .......................................................................... 25
Hình 1.38 Phần đầu của robot ................................................................................ 25
Hình 1.39 Mơ hình Dewalop robot ........................................................................ 26
Hình 1.40 Các bộ phận trên robot .......................................................................... 26
Hình 1.41 Mơ tả hoạt động cánh tay của robot....................................................... 27
Hình 1.42 Mơ hình robot Piko ............................................................................... 28

Hình 3.13 Vị trí của thanh sườn đứng cơ cấu bung ................................................ 48
Hình 3.14 Đặt thơng số thanh sườn đứng ............................................................... 48
Hình 3.15 Mơ phỏng chuyển vị trên thanh sườn đứng ........................................... 48
Hình 3.16 Mơ phỏng ứng suất sinh ra trên thanh sườn đứng .................................. 49
Hình 3.17 Vị trí mặt bích trên robot ....................................................................... 49
Hình 3.18 Đặt các thơng số cho mặt bích ............................................................... 50
Hình 3.19 Mơ phỏng chuyển vị của mặt bích ......................................................... 50
Hình 3.20 Mơ phỏng ứng suất khi lực tác dụng vào mặt bích................................. 50
Hình 3.21 Đặt các thông số mô phỏng trên robot ................................................... 51
Hình 3.22 Thơng số lực tác dụng lên bánh xe robot ............................................... 52
Hình 3.23 Mơ phỏng chuyển vị của robot khi lực tác dụng .................................... 55
Hình 3.24 Mơ phỏng ứng suất sinh ra khi tác dụng lực .......................................... 55
Hình 4.1 Mô tả cảm biến gia tốc 3 trục (Accel) ..................................................... 57
Hình 4.2 Cảm biến la bàn điện tử 3 trục tọa độ ...................................................... 58
Hình 4.3 Con quay hồi chuyển (Gyro) ................................................................... 58
Hình 4.4 Mơ đun GY-86........................................................................................ 59
Hình 4.5 Cảm biến MPU-6050 .............................................................................. 59
Hình 4.6 Cảm biến la bàn số HCM5883L .............................................................. 60


xii

Hình 4.7 Mơ đun Arduino R3 ............................................................................... 61
Hình 4.8 Sơ đồ hệ thống kiểm tra độ nghiêng, camera ........................................... 62
Hình 4.9 Sơ đồ khối hệ thống đo độ nghiêng ......................................................... 62
Hình 4.10 Giao diện Processing ............................................................................. 66
Hình 4.11 Giao diện phần mềm nguồn mở Multiwii .............................................. 67
Hình 4.12 Giao diện quan sát của robot kiểm tra cọc bê tơng................................. 68
Hình 4.13 Hình dạng camera gắn trên robot........................................................... 68
Hình 4.14 Giao diện quan sát và điều khiển của camera ........................................ 69

Hình 5.28 Độ nghiêng theo phương Y ................................................................... 83
Hình 5.29 Cọc thực nghiệm số 3............................................................................ 84
Hình 5.30 Hình ảnh quan sát từ camera ................................................................. 84
Hình 5.31 Độ nghiêng theo trục X ......................................................................... 85
Hình 5.32 Độ nghiêng theo phương Y ................................................................... 85


1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Mở đầu
1.1.2 Đặt vấn đề
Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của ngành xây dựng nên các cơng trình
xây dựng lớn khơng ngừng tăng lên về số lượng và cả chất lượng. Để xây dựng
những cơng trình như thế đồi hỏi phải có một nền móng vững chắc. Hiện nay các
nền móng của các cơng trình xây dựng lớn thường dùng cọc bê tơng ly tâm ứng lực
cường độ cao. Các cọc này được robot ép xuống nền đất và các cọc được liên kết
với nhau bằng các mối nối. Một vấn đề đặt ra là ta cần kiểm tra chất lượng của từng
lổ ép sao cho cọc có độ nghiêng phù hợp, các mối nối liên kết tốt, thân cọc khơng bị
rạn nứt.
1.1.3 Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa thực tiễn.
Xuất phát từ những vấn đề kiểm tra chất lượng của cọc ép bê tông ly tâm ứng
lực cường độ cao. Nên việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo một thiết bị robot để kiểm
tra trở nên cần thiết.
Việc nghiên cứu thiết kế chế tạo robot kiểm tra cọc bê tông ly tâm sau khi ép
sẽ đảm bảo từng lổ cọc được kiểm tra theo các tiêu chuẩn. Điều đó có ý nghĩa rất
quan trọng đối với chất lượng, độ an toàn khi xây dựng các cơng trình xây dựng lớn.
1.1.4 Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu
 Mục tiêu
 Thiết kế robot chui vào cọc bê tông ly tâm sau khi ép

3

Ở Việt Nam cũng như trên thế giới đã có rất nhiều cơng trình sử dụng các
đường ống để để thoát chất thải hay vận chuyển nguyên liệu như nước, gas....
Nhưng vấn đề đặt ra là các đường ống này qua thời gian sử dụng rất lâu. Nguy cơ
đường ống bị hư hỏng dẫn đến các hư hỏng và gây tai nạn là rất lớn. Nhưng các
đường ống này thường rất khó để kiểm tra. Vì vậy đã có những robot chuyên dùng
để đi vào bên trong và tiến hành vệ sinh sửa chữa.

Hình 1.2 Robot kiểm tra đường ống
Trong việc kiểm tra các đường ống có ảnh hưởng rất lớn đến an ninh và năng
suất trong các khu công nghiệp. Việc kiểm tra, bảo dưỡng, vệ sinh các đường ống
này rất khó thậm chí khơng thể thao tác và rất đắc tiền. Do đó việc áp dụng các
robots là một giải pháp tốt nhất. Các đường ống chủ yếu là dùng để vận chuyển các
nguyên liệu như nước, dầu, khí đốt, nước thải…Và các nguyên liệu này là tác nhân
trực tiếp gây hư hại các đường ống. Rất nhiều rắc rối do mạng lưới đường ống bị hư
hại, lão hố, nứt và những hư hỏng cơ khí.


4

Hình 1.3 Robot vệ sinh đường ống Dewalop
Ngồi các đường ống lớn thì cịn có những đường ống có kích thước rất nhỏ
chỉ vài milimet, thậm chí nhỏ hơn như các mạch máu trong cơ thể người.

Hình 1.4 Những nghiên cứu Robot đường ống kích thước nhỏ
Ngày nay với sự phát triển của khoa học các robot đường ống đã có thể đi vào
bên trong cơ thể người. Các robot này sẽ tìm ra bệnh và tiến hành điều trị mà không
cần phải phẩu thuật.


qua chuẩn TCP/IP của mạng wireless. Hình ảnh từ camera thu lại có thể điều chỉnh
được góc nhìn, phóng to và thu nhỏ. Các điều khiển cho robot bằng chương trình
trên máy tính.

Hình 1.7 Bảng điều khiển cho robot


7

Hình 1.8 Ảnh trả về từ camera
Đề tài đã đưa ra được mơ hình thực nghiệm mẫu robot thăm dị đường ống.
Robot có khả năng di chuyển linh hoạt, chống thắm và có hệ thống camera quan sát.
Mạch điều khiển nhúng trên robot bước đầu đã thành công với khả năng giao tiếp
bằng chuẩn ethernet. Với kết quả thực nghiệm robot đã di chuyển tốt trên một số địa
hình gồ ghề dưới đường ống, chương trình điều khiển từ trạm đáp ứng tốt các yêu
cầu đặt ra.
Robot có cấu tạo đơn giản với một số ưu điểm như điều khiển khơng dây, có
camera ip để quan sát thực địa. Nhưng vẫn còn hạn chế trong di chuyển, hiện tại
robot chỉ di chuyển trong các đường ống ngang. Vì vậy việc áp dụng vào thực tế chỉ
dừng lại ở kiểm tra khảo sát đường ống ngang.
c) Robot kiểm tra vệ sinh đường ống
Tác giả Trần Phương Nam [9] đã nghiên cứu về robot kiểm tra và vệ sinh
đường ống nước. Đây là là một trong các ứng dụng cần thiết, có một số đường ống
rất khó di chuyển thậm chí khơng thể vào được. Trong bài nghiên cứu này mô tả
robot kiểm tra và vệ sinh các đường ống. Ngoài ra bài báo còn nghiên cứu và đề
xuất các phương án thiết kế, phát triển robot đi vào sửa chữa. Một phương pháp
khắc phục sự cố đường ống cũng được đưa ra, phần giữa bài báo nói về cách thức
giao tiếp, điều khiển robot. Cuối cùng là kiểm tra và vệ sinh ống qua thực nghiệm.