Đặt vấn đề Robotics là một trong những lĩnh vực kỹ thuật phát triển nhanh nhất, hiện nay chúng được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong các nhà máy sản xuất công nghiệp (ví dụ như hàn điểm, bốc dở hàng hóa, lắp ráp, …). Về cơ bản robot được thiết kế nhằm làm giảm sự có mặt của lao động con người trong những môi trường nặng nhọc và độc hại. Robot đôi khi cũng được con người dung để khám phá những nơi mà con người không thể tiếp cận hay đặt chân đến (ví dụ như khám phá đáy đại dương, khám phá sao hỏa …). Khi phải làm việc trong những đường ống có hình dạng phức tạp, cũng như những nguy hiểm có thể xảy ra bên trong lòng ống cũng là một yêu cầu để đưa robot vào làm thay công việc của con người.
Việc kiểm tra đường ống là rất cần thiết, đặc biệt là các đường ống dẫn dầu, khí, nước, … chỉ cần một khuyết tật nhỏ bên trong ống cũng có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng. Để kiểm tra các đường ống như vậy, yêu cầu robot phải được chế tạo đặc biệt để có thể di chuyển bên trong ống, kiểm tra biên dạng ống, ghi nhận lại hình ảnh bên trong ống, hoặc cũng có thể lấy các mẫu vật bên trong ống, … Theo khảo sát của tổ chức PHMSA về đường ống trong vòng 20 năm qua thì những tổn thất về độ mòn đường ống xảy ra nhiều nhất.1: Những sự cố quan trọng trong đường ống dẫn chất lỏng [13] Qua đó ta thấy nguy hại về ăn mòn ống dẫn chiếm tỷ lệ cao (689 trong 2925 số nguy hại), điều đó có nghĩa là việc kiểm tra đánh giá độ mòn của ống dẫn là vấn đề rất quan trọng 1 Luan van Với vai trò quan trọng đó, việc nâng cao năng suất, chất lượng mối hàn, chất lượng bề mặt ống, độ mòn của ống sau một thời gian sử dụng cũng như phương pháp đo kiểm đánh giá chất lượng ống khi sản xuất và trong quá trình sử dụng luôn là vấn đề cấp bách được quan tâm nghiên cứu. Ngày nay, đã có nhiều công trình ứng dụng thành công các công nghệ tiên tiến để chế tạo ra các thiết bị kiểm tra tự động giúp tăng năng suất lao động gấp nhiều lần và có độ tin cậy cao. Vì những lý do trên, nên việc nghiên cứu thiết kế một thiết bị tự hành mang thiết bị để đo kiểm, đánh giá chất lượng, độ mòn,biên dạng ống là một vấn đề cần thiết và cấp bách.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước Hiện nay, có rất nhiều nghiên cứu liên quan đến đề tài cả trong nước và nước ngoài.3 Các công trình nghiên cứu trong nước a.
Robot vệ sinh và giám sát đường ống Đây là thiết kế của nhóm sinh viên Trường Đại học SPKT TP Hồ Chí Minh chế tạo do PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh hướng dẫn. Đặc điểm của robot này theo thiết kế dùng để giám sát và có khả năng nạo vét cho các đường ống thoát nước có đường kính lớn: Hình 1.2: Robot giám sát và vệ sinh đường ống nước thải [37] b. Robot thông đường ống các loại tàu biển Robot do PGS. Nguyễn Tấn Tiến, khoa cơ khí trường ĐH Bách Khoa (ĐHQG TP.HCM), chủ trì thiết kế và chế tạo.
Ưu điểm nổi bật của robot này là được điều khiển từ xa với thiết kế nhỏ gọn, có thể đi vào những đường ống có kích thước tối thiểu về 2 Luan van chiều cao là 24cm, chiều ngang 30cm. Theo thiết kế robot có thể hoạt động trong đường ống, di chuyển và dùng chổi để làm sạch bụi bẩn, chất bám dính trong các đường ống của tàu.3: Robot thông đường ống tàu biển [38] c. Robot thám hiểm cống ngầm Đây là robot do kỹ sư xây dựng Nguyễn Minh Hưng chuyên viên dự án Thoát nước và vệ sinh môi trường TP Buôn Ma Thuột chế tạo. Ưu điểm chính của con robot này là ghi lại hình ảnh tình trạng ống thoát nước ngầm, giúp cho người điều khiển phân tích, đánh giá được thực trạng của cống ngầm.
Ngoài ra, nó còn có thể mang theo đường ống dẫn nước áp lực cao để thông tắc cống trong trường hợp cần thiết.4: Chàng kỹ sư xây dựng và con robot thám hiểm cống ngầm [39] 1.4 Các nghiên cứu ở nước ngoài a. Robot di chuyển bằng bánh xe thông thường Một kiểu thiết kế phổ biên (cả trong công nghiệp) là dùng bánh xe để cho robot di chuyển bên trong ống như hình 1. Robot có thiết kế giống KARO [56] và MAKRO [3- 5] dùng kiểu thiết kế này, ở robot MAKRO cũng có những khớp nối liên kết giữa 3 Luan van các module của xe với nhau. Những chiếc xe robot này có khối lượng và thể tích được tối ưu cho việc di chuyển bên trong ống (vì vậy chúng có hình dạng khối cơ bản là hình trụ), bên cạnh đó chúng thường rất nặng (vì chúng phải kéo một loạt các module theo sau, nhờ những module bánh xe cung cấp đủ lực kéo).
Robot cũng được trang bị camera và những cảm biến khác (cảm biến siêu âm đo khoảng cách, con quay hồi chuyển, áp suất, cảm biến khí gas, …).5 MAKRO [4] Các loại robot dạng này chỉ có khả năng di chuyển qua đoạn uốn cong và góc chữ T của những ống có đường kính lớn hơn nhiều so với đường kính của robot. Phụ thuộc vào hình dạng ống đã chọn, chiều dài của robot không được quá lớn so với đường kính ống, như hình 1.6 là một mặt cắt 2D cho ta thấy kích thước lớn nhất của robot để nó còn có thể đi qua đoạn cong của ống cho trước.6:Khả năng di chuyển qua ống co chữ L của robot Trong ống thép người ta thường dùng bánh từ để làm tăng lực kéo của xe robot. Một trong những nguyên tắc cơ bản của loại thiết kế này là làm sao chuyển lực từ ở 4 Luan van trạng thái on sang off. Robot được thiết kế bởi Kawaguchi [6] dùng thiết kế bánh kiểu wheel-in-whell.
Robot do EPFL và ALSTOM chế tạo [7 - 9] dùng một loạt các cơ cấu ly hợp và những thiết kế khác như thêm bộ lọc để đáp ứng yêu cầu này. Như đã trình bày, robot được thiết kế theo nguyên lý này có khả năng di chuyển trong nhiều loại đường ống, đồng thời mang được nhiều thiết bị kiểm tra đường ống. Tuy nhiên robot cũng có những điểm hạn chế như trọng lượng phải lớn để tạo độ bám lên thành ống, kích thước chiều dài lớn nên khó di chuyển qua các đoạn ống cong. Robot Explorer-II Explore II (hình 1.7) là một robot kiểm tra đường ống tự hành được thiết kế bởi CMU (Carnegie Mellon University).
Dự án nghiên cứu này trải qua nhiều giai đoạn nâng cấp. Những thử nghiệm đầu tiên của hệ thống đã được triển khai vào cuối năm 2005. Dự án bắt đầu với tên GRISLEE [10]. Kết quả đã được công bố vào năm 2010 bởi Schempf [11].
Ưu điểm của hệ thống này là có thể tự hành kiểm tra ngoại quang trong ống dài 1km nhờ các module cung cấp năng lượng được kéo theo robot. Cũng giống như robot di chuyển bằng bánh xe MAKRO, robot được chế tạo theo nguyên lý này do có chiều dài lớn, mang theo nhiều cụm chức năng nên trọng lượng robot lớn. Mặt khác, với nguyên lý tạo áp lực lên thành ống kiểu thụ động bằng lò xo nên robot chỉ di chuyển trong các đường ống nhỏ, có khoảng biến động về đường kính nhỏ.7: Hình ảnh robot Explorer II 5 Luan van c. RobotScan RobotScan (hình 1.8) là một ý tưởng thiết kế bởi Foster-Miller [12], được cải tiến từ một mẫu thí nghiệm trước đó, có tên là Pipe-mouse.
Ưu điểm của robot này là khả năng tự hành một cách linh hoạt, tương thích với nhiều loại đường ống có kích thước khác nhau. Tuy nhiên robot dạng này cũng có một số hạn chế như khó bố trí thiết bị kiểm tra, chuyển động gồm nhiều khâu khớp phức tạp nên khó khăn cho việc điều khiển, bảo trì bảo dưỡng, ngoài ra robot dạng này chỉ thích hợp để hoạt động trong các đường ống nhỏ. Robot MRINSPECT Các thế hệ Robot MRINSPECT (Multifunction Robot for IN-pipe inSPECTion) đã được phát triển cách đây hơn 10 năm. Do nhóm nghiên cứu của Se-gon Roh, đại học Sungkyunkwan Hàn Quốc.
Robot này cũng thuộc vào loại xe robot có bánh kẹp thành ống, có khả năng đi qua các mối nối chữ T. Một số lớn các mẫu thiết kế đã được công bố bởi Roh [13-19]. Hiện tại MRINSPECT đã có phiên bản thứ VI. Robot này có ưu điểm là di chuyển linh hoạt trong ống thẳng và cong, mang được nhiều thiết bị kiểm tra.
Tuy nhiên điểm hạn chế của robot này là chỉ di chuyển trong một vài loại đương ống có đường kính nằm trong khoảng lân cận nhau. Ngoài ra chi phí chế tạo một robot dạng này là rất lớn. 6 Luan van Hình 1. Robot di chuyển kiểu trục vít Cơ cấu bánh loại trục vít cũng có thể xem như là một loại của robot có bánh kẹp lên thành ống.
Công ty Houston tiền thân là công ty itRobotics đã sản xuất một hệ thống robot kiểm tra đường ống nhỏ gọi là SPI 774 (Small Pipe Inspector). Hệ thống robot này có thể tự thực hiện việc kiểm tra thông qua hình ảnh một ống có hình dạng phức tạp, không thẳng, kích thước đường kính không đổi, không có chỗ phồng to hay thu nhỏ, không có chỗ giao chữ T. Hệ thống thực hiện chuyển động của robot nhìn tương tự như Hirose [20] và làm những công việc như robot Horodinca [21]. Hạn chế của robot kiểu này là chỉ di chuyển được trong một đường ống cố định, vận tốc di chuyển có thể lớn nhưng sẽ gây ra rung động, đường ống phải thẳng và không có thay đổi nhiều về biên dạng.
Ngoài ra việc bố trí các loại cảm biến củng như thiết bị kiểm tra sẽ gặp khó khăn do kích thước nhỏ, thêm vào đó việc chế tạo bộ truyền động dạng này khá phức tạp, chi phí lớn.10: itRobotics’ autonomous inspection system [20] 7 Luan van Hình 1. Robot di chuyển theo kiểu rắn bò – Snake robot Robot kiểu rắn có khả năng di chuyển uyển chuyển, nhanh nhẹn và đồng thời nó cũng có thể vượt qua những chướng ngại vật hay những khớp nối chữ T. Gần đây, trong công nghiệp đã xuất hiện các thiết kế robot kiểm tra đường ống theo kiểu rắn bò, tiêu biểu robot do nhóm nghiên cứu của Wright từ trường CMU. Robot do nhóm nghiên cứu của Wright đã công bố một số phiên bản thử nghiệm [22-23], hiện nay robot có hình dạng như hình 1.
Nguyên lý hoạt động theo kiểu rắn bò này sẽ rất linh hoạt trong các đường ống cong với đường kính lớn nhỏ khác nhau.