Luận văn Thạc sĩ: Giải pháp ứng dụng robot trong đào hầm - Phan Văn Nghiêm

Tài liệu nghiên cứu Robot đào hầm: Phân tích giải pháp & ứng dụng công nghệ ứng dụng cao trong học thuật và nghiên cứu thực tiễn cho giáo dục đào tạo

• Tác giả: Phan Văn Nghiêm
• Người hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khôi
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Giải Pháp Ứng Dụng Robot Trong Đào Hầm
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về Robot Đào Hầm và Ứng dụng Công nghệ

Robot đào hầm là một giải pháp công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng và khai thác mỏ. Các máy khoan robot hiện đại đã cách mạng hóa quy trình thi công hầm ngầm, nâng cao hiệu suất và an toàn lao động. Nghiên cứu từ Đại học Bách Khoa Hà Nội về giải pháp ứng dụng robot trong đào hầm chứng minh rằng công nghệ này có thể giảm chi phí thi công đến 30% và tăng độ chính xác. Kỹ thuật cơ điện tử được áp dụng trong các robot đào hầm cho phép tự động hóa toàn bộ quá trình khoan, phá đá và vận chuyển vật liệu. Công nghệ TBM (Tunnel Boring Machine) là một trong những ứng dụng robot đào hầm nổi bật nhất hiện nay, được sử dụng rộng rãi trong các dự án xây dựng hầm metro, đường hầm giao thông.

1.1. Định nghĩa và Đặc điểm Robot Đào Hầm

Robot đào hầm là hệ thống tự động công nghiệp được thiết kế để thực hiện các công việc khoan, phá và xúc đất đá trong quá trình thi công hầm. Các đặc điểm chính bao gồm: khả năng hoạt động trong môi trường nguy hiểm, độ chính xác cao, sức lao động liên tục không mỏi. Máy khoan robot TBM có thể khoan được chiều sâu lớn với tốc độ 15-20m/ngày, vượt trội so với phương pháp truyền thống.

1.2. Lịch sử Phát triển Công nghệ Robot Đào Hầm

Từ những năm 1950, khi robot công nghiệp đầu tiên được phát triển bởi George Devol và Joe Engleberger, công nghệ này đã trải qua nhiều giai đoạn cải tiến. Giải pháp ứng dụng robot trong đào hầm bắt đầu thực sự phát triển vào những năm 1980-1990 với sự ra đời của các máy khoan hiện đại. Ngày nay, kỹ thuật robot đào hầm đã trở thành tiêu chuẩn trong các dự án infrastructure lớn trên thế giới.

II. Phân Tích Các Giải Pháp Kỹ Thuật Chính

Các giải pháp robot đào hầm hiện nay được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau. Máy khoan TBM (Tunnel Boring Machine) là giải pháp toàn diện nhất, được trang bị hệ thống kỹ thuật cơ điện tử phức tạp để tự động điều khiển toàn bộ quá trình khoan. Ngoài ra, còn có các robot khoan nạn chuyên biệt sử dụng công nghệ búa phá thủy lực hoặc bánh cưa quay để phá vỡ đá cứng. Mỗi giải pháp có ưu nhược điểm riêng, tùy thuộc vào điều kiện địa chất, độ cứng đá, chiều dài hầm và yêu cầu chi phí. Nghiên cứu ứng dụng robot đào hầm cho thấy việc kết hợp nhiều công nghệ là cách tối ưu để đạt hiệu quả cao nhất.

2.1. Công nghệ Máy Khoan TBM

Máy khoan TBM là giải pháp robot đào hầm được sử dụng phổ biến nhất hiện nay. Hệ thống này trang bị cánh tay robot 5 bậc tự do có khả năng điều chỉnh chính xác vị trí khoan. Kỹ thuật cơ điện tử trong TBM bao gồm động cơ điện, hệ thống cảm biến, bộ điều khiển tự động và hệ thống thủy lực. Công nghệ này cho phép robot đào hầm hoạt động với độ chính xác ±50mm, năng suất khoan đạt 20m/ngày.

2.2. Công nghệ Máy Khoan Nạn và Búa Phá Thủy Lực

Robot khoan nạn sử dụng búa phá thủy lực là giải pháp thay thế phù hợp cho các hầm tròn nhỏ hoặc địa chất đặc biệt. Ứng dụng robot loại này hiệu quả trong việc phá các lớp đá cứng, granit hay đá vôi. Hệ thống máy khoan robot sử dụng áp lực nước 300-400 bar để tạo lực phá mạnh, với chi phí đầu tư thấp hơn TBM 40-50%.

III. Phân Tích Động Học và Động Lực Học Robot

Để tối ưu hóa ứng dụng robot đào hầm, việc phân tích động học robot và động lực học robot là vô cùng quan trọng. Kỹ thuật cơ điện tử liên quan đến việc xác định quỹ đạo chuyển động của cánh tay robot, tính toán vận tốc, gia tốc và lực tác dụng lên từng khớp. Phương trình động học thuận giúp xác định vị trí đầu khoan dựa trên góc quay các khớp, trong khi động học ngược xác định góc quay cần thiết để đạt vị trí mục tiêu. Giải pháp robot đào hầm tiên tiến sử dụng ma trận Jacobian để tối ưu hóa chuyển động, giảm năng lượng tiêu thụ và tăng tuổi thọ thiết bị. Các ngoại lực tác dụng lên robot khoan được tính toán chi tiết để đảm bảo an toàn hoạt động.

3.1. Bài Toán Động Học Thuận và Ngược

Bài toán động học thuận xác định vị trí đầu khoan (điểm E) trong không gian dựa vào các góc quay khớp. Robot đào hầm với 5 bậc tự do cần phải giải hệ phương trình Denavit-Hartenberg. Bài toán động học ngược xác định các góc khớp cần thiết khi biết vị trí mục tiêu. Phương pháp này sử dụng ma trận Jacobian để tìm nghiệm, cho phép robot khoan định vị chính xác với sai số < 1cm.

3.2. Phân Tích Động Lực Học và Lực Tác Dụng

Phương trình động lực học robot được xây dựng dựa trên phương pháp Lagrange để xác định momen và lực cần thiết tại mỗi khớp. Ngoại lực tác dụng lên cánh tay robot khoan bao gồm trọng lượng thiết bị, lực phản lực từ đất đá, và lực cắt khoan. Tính toán ma trận khối lượng, lực quán tính Coriolis, và lực quán tính ly tâm giúp thiết kế hệ thống robot đủ mạnh nhưng tiết kiệm năng lượng.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn và Triển Vọng Phát Triển

Ứng dụng robot đào hầm hiện nay đã được triển khai rộng rãi trong các dự án hạ tầng lớn trên toàn thế giới. Các dự án xây dựng hầm metro tại các thành phố lớn như Tokyo, Singapore, Paris đều sử dụng máy khoan robot TBM để đạt tiến độ và chất lượng cao. Tại Việt Nam, giải pháp ứng dụng robot trong đào hầm đang từng bước được áp dụng trong các dự án metro Hà Nội và TP.HCM. Kỹ thuật cơ điện tử liên tục được cải tiến với việc tích hợp trí tuệ nhân tạo, IoT, và hệ thống giám sát từ xa. Triển vọng của robot đào hầm rất sáng sủa, dự kiến trong 5-10 năm tới, công nghệ này sẽ trở thành tiêu chuẩn bắt buộc trong các dự án kỹ thuật mỏ lớn.

4.1. Các Dự Án Thực Tiễn Sử Dụng Robot Đào Hầm

Các dự án đào hầm lớn trên thế giới đã chứng minh hiệu quả của robot khoan. Hầm phượng Gotthard ở Thụy Sĩ sử dụng máy khoan robot TBM dài 57.1km, hoàn thành năm 2016 với độ chính xác cao. Ứng dụng robot đào hầm giúp giảm chi phí 25%, tăng an toàn 40% và rút ngắn thời gian thi công. Tại Việt Nam, metro Hà Nội dự tính sử dụng robot khoan cho các đoạn khó khăn dưới sông Hồng.

4.2. Xu Hướng Phát Triển Công Nghệ Tương Lai

Tương lai của giải pháp robot đào hầm sẽ tập trung vào tích hợp trí tuệ nhân tạo, IoT và big data. Robot đào hầm thế hệ mới sẽ có khả năng tự học, tự điều chỉnh tham số khoan dựa trên điều kiện địa chất thực tế. Kỹ thuật cơ điện tử sẽ được nâng cấp với năng lượng sạch, giảm khí thải CO2. Dự kiến ứng dụng robot sẽ mở rộng sang các dự án khác như đào mỏ sâu, khe đá ngầm, xây dựng ngoài không gian.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BO GIAO DUC VA DAO TAO TRUONG DAI HOC BACH KHOA HA NOI PHAN VAN NGHIEM GIAI PHAP UNG DUNG ROBOT TRONG DAO HAM Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN: PGS.TS PHAN BÙI KHÔI Hà Nội - Năm 2019 a. 2 - SDILQTS MIL CONG HOA XA HOI CHU NGHIA VIET NAM Déc lip — Tu do — Hanh phic BAN XAC NHAN CHINH SUA LUAN VAN THAC Si Ho và tên tác giả luận văn : Phan Van Nghiém Để tài luận vấn: Giải pháp ứng dung robot trong dio him Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ điện tứ Mã số SV: CP160081 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học vả Hồi đồng chấm luận văn xác nhận tác giá đã sửa chữa, bễ sung luận văn thco biên bản hợp Hội déng ngày 01/11/2019 với các nội dung sau -_ Lỗi trỉnh bảy, xoạn thảo văn bản (phông chữ, cỡ chữ) -_ Bố cục sắp xếp nội dung trong chương 3 - _ Chú thích một số hình ảnh -_ Đánh số thứ tự công thức trong chương 3 - _ Nhận xét kết quả tính toán Ngày tháng năm 2019 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG LOLCAM DUAN Tôi xi can doan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng, tôi được hoàn thành đưới sự hưởng dẫn và chỉ bảo tận tình của PGS.TS Phan Bùi Khôi. Các sẻ liệu sử dụng phân tích trong luận văn có nguẫn gốc rõ rằng, đã công bố theo dùng, quy dịnh. Các kết quá nghiền cửu trong luận văn do tôi tự tìm hiểu, phản tich một cách trung thực, khách quan và phủ hợp với thực tiến.

Các kết qua nay chưa lừng được công bỏ trong bất kỳ nghiên cửu nao khác. Hạc viên Phan Văn Nghiêm DANH MUC HINH VE Hinh 1: robot được sir dung trong ngảnh sản suất ö tổ, tảu thoy. Hinh 2: Robot Lilliput. - Hinh 3: George Devol vi Joe Engleberger và cánh BI robot.

Hình 4: WABOT-I và WABOT-2. Hình5: Robot Genghis. si Hình 6: Robot Dante II va Sojourner Hinh 7: Robot ASIMO Hình 8: Sơ đỏ cầu tạo các bộ phân của Robot công nghiệp Hình 9: Các hình dạng điển hình của Robot công nghiệp. Hinh 10: Robot Hadrian.

Hình 11: Robot 6 trục đang thực hiện công việc in 3D từ thép nóng dây Hình 12: Robot lắp ráp pin mặt trời. — Hinh 13: Robot dio him TBM. Hinh 14: Robot khoan né min Sandvik Tamrock Hình 15: các giai đoạn phat trién cia khoan ham no min Hinh 16; (a) Cac mé dun của hệ thống we Các thànhhi vat ly. Hinh 17: May khoan ham TBM.

Hình 18: Máy khoan him simex TF cuter. Hình 19: Máy khoan đá thủy lực (a) búa phá đá thủy lưefb). Hinh 20: Dau pha TF- Cutter Heads (a) RWE - Wheel Saws—Simex (b). Hinh 21:MP - Cutter Heads for profiling(a);TF — Twin drum mini rotary cutter (b) Hình 22: Đầu khoan pha Rockwheel axial cutter Hình 23: Mô hình cánh tay robot khoan him 5 bậc tự do Hình 24: Hệ tọa độ robot.

Hinh 25: D6 thi toa d6 xe(1), ye(2), 22(3) theo thot gian Hình 26: Đỗ thị tọa độ điểm E trong không gian. Hình 27: Đỗ thị vận tốc chuyển đồng theo phương x(1), y(2). Hình 29: Biên dạng đường hầm (1) và vị trí thao tác của robot (2) : Hinh 30: Bé thi v ti X(), ¥Q).2)va hướng ROTX(4).ROTZ(6) của điểm cudi theo thời gian Hinh 31: Dé thi van tc X(1), YQ), ZG), ROTX(4), ROTY(S), ROTZ(6) theo thời gian. Hinh 32: Dé thi gia toc X(1), Y(2), Z(3), ROTX(4), ROTY(5), ROTZ(6) theo thời gian.

Hình 33: Đỏ thị chuyển động của các khớp (1), (2), (3), (4), (S) theo thời gian Hình 34: Đỗ thị vận tốc chuyên động các khớp (1). (4), (5) theo thời gian. Hình 36: Vector lựcF và momen M. ni me Hình 37: Đỗ thị vecto lực của các khớp 1 (1), 2 (2), 3 (3), 4 (4), S (5) theo thời gian.

Hình 38: Đỗ thị so sánh chuyển động của các khớp(1), (2), (3), (4), (5) theo thời gian. Hình 39: Do thy so sánh vận tốc của khớp (1), (2). (4), (5) theo thời gian.13 Giải bài toán động học thuận.3 Bải(pán động học ngược 2.1 Đặc trưng hình học của đối tượng gia công.2 Giải bàiroán động học ngược Roboi. CHƯƠNG 3: ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT.1 Phương trmh động lực học tổng quát AT 3-11 Khăn sắt động lực học: a7 3.2 Phương trình động lực học tổng quát.2 Xác định ma trận khối lượng, lực quán tinh, vecfor lực suy rộng của lực có thể.

Xác dịnh ma trận khối lượng. a) Khôi lượng, tợa độ khối 14m và ten-sơ quán tính. bị Ma trn Jacobian Fy ©) Matrén Jacobian Jx: 3. Lực quán tính cortalls và quán tính ly tâm.

Vector lực suy rộng của lực có (hề Gíq). Ngoại lực tác dụng vào mũi khoan.4 Giải hài toán động lực học.1 Bài toàn động lực học ngược.2 Bài toàn động lực học (huận. KẾT LUẬN VẢ KTÉN NGHỊ. sete " coe cee 1.

Phương phản nghiên cứu Luan văn nay sử dụng phương pháp nghiên củu lý thuyết kết hợp với tinh toán. Từ các tài liệu lý thuyết chuyên ngành, sách, báo và kế thừa các kiến thúc ứng dụng sông nghệ Robot. Tù đó tác giá để xuối mô lỉnh Robot và là cơ sở thực hiện khảo sát các chuyển động của mỗ hình như động học. Từ một số tải liệu nghiên cửu về quả trình gia công đất đá của một số loại máy khoan phá, tác giá nghiên cửu áp dụng tính toán các ngoại lực tác dụng lên robot từ dỗ giải bài toán động lực học robot.

Quá trình thực hiện cô sử đựng các phả nam và gông cụ hỗ tre nhc Solidworks, Matlab, Maple Chan thánh cảm ơn Học viên Phan Văn Nghiêm 2.13 Giải bài toán động học thuận.3 Bải(pán động học ngược 2.1 Đặc trưng hình học của đối tượng gia công.2 Giải bàiroán động học ngược Roboi. CHƯƠNG 3: ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT.1 Phương trmh động lực học tổng quát AT 3-11 Khăn sắt động lực học: a7 3.2 Phương trình động lực học tổng quát.2 Xác định ma trận khối lượng, lực quán tinh, vecfor lực suy rộng của lực có thể. Xác dịnh ma trận khối lượng. a) Khôi lượng, tợa độ khối 14m và ten-sơ quán tính.

bị Ma trn Jacobian Fy ©) Matrén Jacobian Jx: 3. Lực quán tính cortalls và quán tính ly tâm. Vector lực suy rộng của lực có (hề Gíq). Ngoại lực tác dụng vào mũi khoan.4 Giải hài toán động lực học.1 Bài toàn động lực học ngược.2 Bài toàn động lực học (huận.

KẾT LUẬN VẢ KTÉN NGHỊ. sete " coe cee 1. MỤC LỤC LOI CAM ĐOAN. LOI CAM ON.

DANH MUC HiNH VE. Ly do chon dé tai. Mục dich nghiên cửu Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Y nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài.

Phương pháp nghiên cứu. CHUONG 1: TONG QUAN 1.1 Giới thiệu chung vé robot 11.1 Lịchsửhình thành và pháttriển.12 Các khái niệm vàrobol.3 Phan loai va img dung 1⁄2 Giới thiệu vềrobot đào hầm.1 Giới thiệu chung. 13 Qua trinh dao him 1.1 Các công cụ khoan, phá đấtđã.2 Nghiên cửurobotđảohâm. CHƯƠNG 2: DONG HOC ROBOT.1 Nghiên cứu động họcrobot.12 Hệ tọađộrobot.3 Phương trình động học robot.2 __ Bải toán động học thuật 2.1 Bài toán vị trí 2.2 Bài toán thuận về vận tốc và gia tố LỜI MỞ ĐẢU ý do chọn đề tài Trong sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước, ngành Điều khiển, Tự động hóa vả thiết kế các hệ thông Cơ điện tử đang đóng một vai trò hết sức quan trọng.

Cuộc cách mạng công nghệ 4.0 đang trong giai đoạn phát triển một cách toản diện và tác động đến hâu hết mọi lĩnh vực trong đời sông. Các Robot, đặc biệt là Robot công nghiệp có một vị trí đặc biệt quan trọng. trong các quả trình sản xuất sản phẩm, gia công cơ khi, xây dựng cũng như trong dịch vụ vả giải trí. Nhằm nâng cao năng suất, chát lượng, cải thiện điệu kiên lao động, tăng năng suất lao động.

đặt ra vẫn đẻ cần giải là phải có một loại robot được tích hợp các công nghệ tiên tiến vảo trong quá trình gia công. Robot đã xuất hiện trong sản xuất từ nhiều năm trước. Ngày nay, Robot được sử dụng trong rất nhiều các lĩnh vực, với những tỉnh năng mả con người không thể có được như: khả năng làm việc ồn định với khỏi lượng công việc lớn, có thẻ làm việc trong môi trường độc hại, khả năng xử lý công việc trong, thời gian ngắn đảm bảo độ chính xác cao,. Do đó, việc nghiên cứu, chế tạo.

và điều khiển những loại tay máy Robot phục vụ cho công cuộc tự động hỏa sẵn xuất, ứng dụng trong gia công cơ khi vả trong ngành xây dựng là rất cân thiết cho hiện tại và tương lai Robot trong ngành xây dựng hiện nay đang phát triển với tốc độ chậm. Các robot như robot xây nhà, robot lát gạch, các loại máy xúc, máy đảo đất, robot đảo hâm ngâm. Với sự phát triển và giao thông cũng như khai thác khoáng sản ở nước ta hiện nay sự góp mặt của robot đào hâm là rất cần thiết vì vậy trong đề tải “Gi4i pháp ứng dụng robot trong dao ham” nay nghiên cửu về hình dạng, động học, động lực học robot ứng dụng trong dao ham noi chung và đảo hầm mỏ nói riêng. Mục đích nghiên cứu Mục đích của để tải là: xây dựng mô hình động học robot, phân tích và tỉnh toản phương trinh động học vả động lực học Robot ứng dụng trong đảo ham va giải được phương trình đồng lực học.

Đẻ tài là cơ sở ứng dung dé tinh toán và thiết kế robot thực tẻ sau nảy. Đề tải giúp tôi làm quen và tìm hiểu sâu MỤC LỤC LOI CAM ĐOAN. LOI CAM ON. DANH MUC HiNH VE.

Ly do chon dé tai. Mục dich nghiên cửu Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Y nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài. Phương pháp nghiên cứu.

CHUONG 1: TONG QUAN 1.1 Giới thiệu chung vé robot 11.1 Lịchsửhình thành và pháttriển.12 Các khái niệm vàrobol.3 Phan loai va img dung 1⁄2 Giới thiệu vềrobot đào hầm.1 Giới thiệu chung. 13 Qua trinh dao him 1.1 Các công cụ khoan, phá đấtđã.2 Nghiên cửurobotđảohâm. CHƯƠNG 2: DONG HOC ROBOT.1 Nghiên cứu động họcrobot.12 Hệ tọađộrobot.3 Phương trình động học robot.2 __ Bải toán động học thuật 2.1 Bài toán vị trí 2.2 Bài toán thuận về vận tốc và gia tố MỤC LỤC LOI CAM ĐOAN. LOI CAM ON.

DANH MUC HiNH VE. Ly do chon dé tai. Mục dich nghiên cửu Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Y nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài.

Phương pháp nghiên cứu. CHUONG 1: TONG QUAN 1.1 Giới thiệu chung vé robot 11.1 Lịchsửhình thành và pháttriển.12 Các khái niệm vàrobol.3 Phan loai va img dung 1⁄2 Giới thiệu vềrobot đào hầm.1 Giới thiệu chung. 13 Qua trinh dao him 1.1 Các công cụ khoan, phá đấtđã.2 Nghiên cửurobotđảohâm. CHƯƠNG 2: DONG HOC ROBOT.1 Nghiên cứu động họcrobot.12 Hệ tọađộrobot.3 Phương trình động học robot.