Đặt vấn đề: 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 nước không theo kịp với tốc độ phát triển của thành phố, nhiều tuyến đường trong thành phố luôn bị ngập lụt sau những cơn mưa do hệ thống thoát nước không thoát nước kịp với nhiều nguyên nhân: cũ, xuống cấp, nhiều rác thải, … được minh họa trong hình 1. Hình ảnh các con đường trong thành phố sau cơn mưa. Ngoài ra còn một vấn đề về hệ thống tiêu thoát nước rất nghiêm trọng đang xảy ra là cứ thỉnh thoảng trên các tuyến đường tại thành phố Hồ Chí Minh lại có hiện tượng „hố tử thần‟ do các đường ống thoát nước gây ra. Vì vậy vấn đề hệ thống thoát nước đang là bài toán bức xúc và nan giải của 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 đường ống đến các nơi bị ngập, để làm sạch đường ống bị tắc. Tuy nhiên, đối với loại ống có đường 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 trường cống rất ô nhiễm, độc hại, như Báo Tuổi Trẻ ngày 30/05/2012 đã đưa tin công nhân nạo vét cống trúng khí độc khi đang làm việc. Còn để tìm ra các vết nứt, các hư hỏng hay những chướng ngại vật của đường 1 Luan van ống làm cho đường ống thoát nước bị rò rỉ, bị vỡ hay tràn ống, ta phải dùng những con robot được nhập về từ nước ngoài để giám sát đường ống, kiểm tra xem những lỗi ở vị trí nào trong đường ống để tiến hành sửa chữa đường ống.
Đây là động lực cơ bản để người nghiên cứu chọn hướng nghiên cứu, thiết kế một robot có thể di chuyển dưới hệ thống cống rãnh, có khả năng giám sát và truyền hình ảnh về trung tâm điều khiển. Một số khái niệm liên quan đến đề tài : - Robot là một hệ thống thiết bị tự động thực hiện nhiệm vụ bằng sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình, … bao gồm robot công nghiệp và robot dịch vụ. Robot công nghiệp là một hệ thống tự động kiểm soát, lập trình, đa chức năng, điều khiển lập trình trong ba hoặc nhiều trục, có thể được đặt cố dịnh hay di động để sử dụng trong các ứng dụng tự động hóa công nghiệp. Robot dịch vụ là robot hoạt động bán tự động hoặc hoàn toàn tự động để thực hiện dịch vụ hữu ích cho phúc lợi của con người và thiết bị, không bao gồm hoạt động sản xuất [2].
Robot giám sát đường ống nước thải là loại robot dịch vụ. - Giám sát được định nghĩa là một chức năng được thực hiện một cách liên tục giúp ta theo dõi những thành quả (hình ảnh) thông qua việc thường xuyên thu thập thông tin để kịp thời hỗ trợ việc ra quyết định. - Hệ thống thoát nước của nước ta được phân biệt như sau: hệ thống thoát nước chung là hệ thống mà tất cả các loại nước thải (sinh hoạt, sản xuất, nước mưa) được xả chung vào một mạng lưới và dẫn đến công trình làm sạch và hệ thống thoát nước riêng là hệ thống có hai hay nhiều hệ thống cống riêng biệt như là một dùng để vận chuyển nước bẩn nhiều (nước sinh hoạt, sản xuất), một là vận chuyển nước ít bẩn hơn (nước mưa)[3]. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu: Hệ thống đường ống thoát nước cũ kỹ sẽ gây ra nhiều hiện tượng như lượng bùn, rác lắng đọng nhiều sẽ gây ngập khi có mưa nhiều, đường ống có vết nứt, có hư hỏng gây ra vỡ đường ống, … là những vấn đề cực kỳ nan giải đối với bất cứ thành phố nào trên thế giới.
Dù nhận thức được tính chất nghiêm trọng của vụ việc, 2 Luan van nhiều chính quyền thành phố vẫn không khắc phục được kịp thời hệ thống ống nước do rất khó tiếp cận những đường ống bị bể hoặc rò rỉ. Hiện nay, cách thức được áp dụng là đào đường ở những khu vực bị nghi ngờ hư hỏng, dù phương pháp này rất bị động và hao tiền tốn của. Đó là chưa kể có những khu vực không thể đào hầm được vì nhiều lý do. Đứng trước vấn đề cấp thiết trên, các nhà nghiên cứu tìm cách chế tạo robot có khả năng di chuyển bên trong đường ống và khắc phục sự cố (sewer robot).
Tình hình nghiên cứu trong nước: Hiện nay, việc giám sát để sửa chữa, bảo dưỡng và vệ sinh các đường ống thoát nước ở nước ta vẫn chủ yếu dùng sức lao động của con người. Cũng có một vài robot chuyên dụng nhưng chủ yếu để thăm dò và đều được nhập từ nước ngoài, giá thành cao, … - Robot gần đây nhất có mặt tại Việt Nam vào năm 2003 là robot khảo sát đường ống của công ty TNHH một thành viên thoát nước đô thị tp. Hồ Chí Minh trong hình 1.2: Robot khảo sát của cty cấp thoát nước tp. Hồ Chí Minh.
Đây là robot nhập khẩu từ hãng CUES của Mỹ bao gồm: một xe chuyên dụng và hai robot giám sát. Robot được 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 được từ đường 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. 3 Luan van - Từ tháng 8/2003 đến tháng 3/2004, Công ty thoát nước & phát triển đô thị tỉnh Bà Rịa – tp Vũng Tàu đã nghiên cứu, chế tạo thành công cụm tời máy nạo vét cống ngầm theo hình 1. Công trình khoa học này do KS. Hoàng Đức Thảo, Tổng giám đốc Công ty chủ trì với các cộng sự là một số kỹ sư và công nhân của công ty thực hiện.
Cụm tời này gồm hai hệ thống hoàn chỉnh ở hai đầu để điều khiển một thiết bị nạo vét di chuyển dọc theo trục giữa hai tời, thông qua sợi dây cáp nối vào hai đầu thiết bị nạo vét. Mỗi cụm tời gồm: một động cơ điện 6-7.5 HP, máng trượt, tời máy, puly truyền cáp, ống PVC 15x21, dây cáp đường kính 6mm, gàu chứa bùn, quả cầu cho cống Ø600, quả cầu cho cống Ø600-800, quả cầu cho cống Ø800-1200, gàu múc bùn, …. Qui mô kính thước: dài x rộng x cao là 1140x800x360mm. Trọng lượng trung bình: 50-60kg; Công suất làm việc 500-600 kW.3: Cụm tời nạo vét cống ngầm.
Tháng 11/2011, nhóm sinh viên thuộc khoa Chất lượng cao trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh thực hiện đồ án tốt nghiệp với tên đề tài là “Thiết kế và chế tạo Robot vệ sinh và giám sát đường ống nước thải” (hình 1.4) dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Trường Thịnh [4]. Robot này có các đặc điểm sau: robot làm nhiệm vụ vệ sinh và giám sát đường ống nước thải, robot làm việc ở đường cống có đường kính 300mm, hình thức di chuyển của robot là bánh xích đặc biệt, kết cấu cơ khí thì phức tạp, camera hồng ngoại cố định. Robot này được mọi người biết đến thông qua các phương tiện truyền thông, tuy nhiên chưa được đưa vào sử dụng rộng rãi vì nó còn một số nhược điểm cần cải thiện như lààmo 4 Luan van robot di chuyển bằng xích nên thường xuyên gặp trở ngại khi môi trường cống ở Việt Nam có nhiều than vụn và đá nhỏ và cụm vệ sinh (phần lưỡi cắt) làm việc chưa hiệu quả do môi trường cống rất độc hại, kim loại dễ bị oxi hóa.4: Mô hình thực tế của robot vệ sinh và giám sát đường ống nước thải.
Trong khoảng 10 năm nay, có nhiều nhóm nghiên cứu của các tỉnh, thành phố trong cả nước tham gia nghiên cứu vào lĩnh vực thoát nước tạo ra những robot có khả năng giám sát và vệ sinh đường ống nước thải. Tuy nhiên, những robot này vẫn chưa được biết đến một cách rộng rãi. Tình hình nghiên cứu ngoài nước: - Năm 1995, đánh dấu bước phát triển của robot KURT (Kanal- Untersuchungs-Roboter-Testplattform ) tại học viện AIS (Kirchner & Hertzberg, 1997), hình 1. Đặc tính của robot KURT là một robot tự động có sáu bánh, kích thước 30×45×30cm, ba bánh hai bên được kết nối bằng đai truyền, mỗi bên được điều khiển bằng một động cơ DC, động cơ được điều khiển bằng mạch điều khiển riêng biệt.
Về hệ thống máy quay: robot được trang bị một camera CCD - camera có thể quay 180o và cho phép ghi lại mọi vật trước robot, tín hiệu của camera được truyền thông qua khe cắm ISA – bus với máy tính. Và hệ thống cảm biến gồm hai máy đo độ nghiêng đặt dưới gầm xe và năm đầu dò siêu âm cho phép phát hiện vật cản trước và sau robot với khoảng cách tối đa là 100cm và tối thiểu là 1cm. 5 Luan van Hình 1.5: Robot tự động KURT. - Vào năm 1998, robot thăm dò đường ống KARO (hình 1.6 [6]) cũng được nghiên cứu và thử nghiệm tại Đức.
Dự án được tài trợ bởi The German Ministry for Research and Education (BMBF). Sự đổi mới của 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 được sử dụng giám sát trong các đường ống biến dạng, trong các ống dẫn lớn bị nứt.6: Robot đa cảm biến trong đường cống, KARO. - Vào năm 1997 – 2001, robot MAKRO (hình 1.7 [7]) được chế tạo và phát triển bởi một nhóm kĩ sư người Đức.
Đặc tính của robot MAKRO gồm sáu đoạn được nối liền với nhau bởi năm motor điều khiển cho phép robot có thể leo từng bước và quay trở lại. MAKRO là robot tự động hoàn toàn, có thể vệ sinh làm sạch những đường cống có kích thước trong khoảng 300 đến 600mm trong điều kiện khô ráo. Được duy trì năng lượng bằng pin NiCd, cho phép robot hoạt động liên tục trong hai giờ. 6 Luan van Hình 1.7: Robot tự động trong đường ống, MAKRO.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn : Hiện nay, trên thế giới đã có rất nhiều các loại robot được chế tạo để phục vụ cho nhiều mục đích làm việc dưới đường ống ngầm. Trong đó, hầu hết là các dạng robot di chuyển và kiểm tra đường ống, chỉ một số nhỏ robot có khả năng làm sạch đường ống tuy nhiên họ chỉ mô tả các công trình làm sạch đơn giản, có xu hướng chuyên ngành.