Đồ án thiết kế mô hình robot khử khuẩn đa phương án điều khiển HCMUTE

Đồ án HCMUTE thiết kế thi công mô hình robot khử khuẩn đa phương án điều khiển ứng dụng trong môi trường y tế và công cộng hiệu quả.

• Tác giả: Phạm Minh Tiến
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thanh Hải
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện tử - Truyền thông
• Đề tài: Thiết kế mô hình robot khử khuẩn đa phương án điều khiển
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan đồ án robot khử khuẩn HCMUTE

Đồ án tốt nghiệp tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh nghiên cứu thiết kế và thi công mô hình robot khử khuẩn đa phương án điều khiển. Dự án do nhóm sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. Nguyễn Thanh Hải. Mục tiêu là xây dựng hệ thống robot có khả năng khử khuẩn bề mặt thông qua ba phương thức điều khiển: thủ công qua ứng dụng di động, tự động dò line trên bề mặt phẳng và tránh vật cản bằng cảm biến siêu âm. Robot tích hợp cơ cấu phun khử khuẩn bằng dung dịch, bơm áp suất và động cơ di chuyển bánh xích. Sản phẩm hướng đến ứng dụng trong môi trường y tế, phòng cách ly hoặc không gian công cộng cần khử trùng định kỳ.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu đề tài

Nghiên cứu xây dựng mô hình robot khử khuẩn linh hoạt, có khả năng hoạt động trong nhiều môi trường khác nhau. Nhóm tập trung vào ba phương án điều khiển: điều khiển thủ công qua ứng dụng di động (Bluetooth/WiFi), điều khiển tự động theo đường line (line follower) và điều khiển tự động tránh vật cản (obstacle avoidance). Ngoài ra, robot còn được trang bị cơ cấu phun khử khuẩn đa chiều với dung dịch sát khuẩn tiêu chuẩn. Hệ thống sử dụng vi điều khiển Arduino Nano ATmega328P làm trung tâm xử lý, kết hợp module cảm biến siêu âm HC-SR04, cảm biến line tracking TCRT5000, module Bluetooth HC-06 và động cơ DC điều khiển bánh xích.

1.2. Phạm vi ứng dụng dự án

Mô hình robot khử khuẩn được thiết kế nhằm phục vụ nhu cầu khử khuẩn trong các không gian y tế như phòng cách ly, phòng mổ hoặc khu vực công cộng đông người. Robot có khả năng hoạt động độc lập hoặc điều khiển từ xa thông qua điện thoại thông minh. Cơ cấu di chuyển bánh xích cho phép robot hoạt động trên nhiều địa hình khác nhau, kể cả nền đất không bằng phẳng. Dung dịch khử khuẩn được phun theo cơ chế áp suất, đảm bảo độ phủ đều trên bề mặt. Dự án hướng đến giải pháp thay thế hoặc hỗ trợ công tác khử khuẩn thủ công, giảm thiểu nguy cơ lây nhiễm chéo trong môi trường bệnh viện.

II. Phân tích nhu cầu robot khử khuẩn đa phương án

Trong bối cảnh dịch bệnh toàn cầu, nhu cầu khử khuẩn môi trường ngày càng cấp thiết, đặc biệt tại các cơ sở y tế. Các phương pháp khử khuẩn truyền thống như lau chùi bằng dung dịch hay sử dụng đèn UV tĩnh gặp nhiều hạn chế: tốn nhiều nhân lực, khó tiếp cận khu vực góc cạnh, nguy cơ lây nhiễm cho nhân viên. Robot khử khuẩn đa phương án ra đời nhằm khắc phục những nhược điểm này. Đề tài khảo sát các sản phẩm nghiên cứu tương tự như robot khử khuẩn trong phòng cách ly (Bệnh viện Quân Dân Y miền Đông) hay robot diệt khuẩn bằng tia UV (ĐHSPKT TP.HCM), từ đó nhận diện các điểm yếu cần cải tiến. Nhóm xác định ba thách thức chính: tích hợp đa phương thức điều khiển, tối ưu cơ cấu phun khử khuẩn và đảm bảo độ tin cậy khi hoạt động độc lập.

2.1. Thách thức trong khử khuẩn môi trường

Khử khuẩn môi trường truyền thống gặp khó khăn trong việc tiếp cận các khu vực hẹp, góc cạnh hoặc bề mặt không bằng phẳng. Nhân viên y tế phải trực tiếp thực hiện thao tác, dẫn đến nguy cơ lây nhiễm chéo cao. Các phương pháp sử dụng hóa chất hoặc tia UV tĩnh không thể di chuyển linh hoạt, gây lãng phí dung dịch và thời gian. Ngoài ra, quy trình khử khuẩn thủ công khó đảm bảo tính đồng đều, dễ bỏ sót khu vực. Robot khử khuẩn đa phương án được kỳ vọng giải quyết những vấn đề này bằng cách tích hợp khả năng di chuyển linh hoạt, phun khử khuẩn theo cơ chế tự động và điều khiển từ xa.

2.2. Yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống

Hệ thống robot cần đáp ứng ba yêu cầu kỹ thuật chính: khả năng điều khiển đa phương thức (thủ công, tự động dò line, tự động tránh vật cản), cơ cấu phun khử khuẩn hiệu quả (áp suất ổn định, phạm vi phủ rộng) và độ bền vững trong quá trình hoạt động. Vi điều khiển Arduino Nano ATmega328P được lựa chọn do khả năng xử lý tín hiệu nhanh, kích thước nhỏ gọn và tương thích với nhiều module ngoại vi. Cơ cấu di chuyển bánh xích đảm bảo robot hoạt động ổn định trên nhiều địa hình. Module cảm biến siêu âm HC-SR04 và cảm biến line tracking TCRT5000 cung cấp dữ liệu môi trường chính xác cho quá trình điều khiển tự động.

III. Phương pháp thiết kế và thi công robot

Quy trình thiết kế robot khử khuẩn đa phương án gồm bốn giai đoạn chính: nghiên cứu tài liệu, thiết kế mạch điện tử, thi công cơ khí và lập trình điều khiển. Nhóm tham khảo các đề tài liên quan như robot khử khuẩn phòng cách ly (Bệnh viện Quân Dân Y miền Đông) và robot diệt khuẩn bằng tia UV (ĐHSPKT TP.HCM) để xác định thông số kỹ thuật phù hợp. Sơ đồ khối hệ thống bao gồm vi điều khiển Arduino Nano, module cảm biến, động cơ DC, bơm dung dịch khử khuẩn và module Bluetooth. Cơ cấu di chuyển sử dụng bánh xích với khung mica chịu lực, đảm bảo khả năng vận hành ổn định. Phần mềm điều khiển được phát triển trên ứng dụng MIT App Inventor, cho phép người dùng điều khiển robot qua điện thoại thông minh.

3.1. Thiết kế mạch điện tử hệ thống

Mạch điện tử trung tâm sử dụng vi điều khiển Arduino Nano ATmega328P, hoạt động ở điện áp 5V với 32KB bộ nhớ Flash. Module điều khiển động cơ L298N điều phối hai động cơ DC cho cơ cấu di chuyển, cung cấp dòng điện tối đa 2A trên mỗi kênh. Module Bluetooth HC-06 thiết lập kết nối không dây tầm ngắn, cho phép điều khiển robot từ xa. Cảm biến siêu âm HC-SR04 đo khoảng cách vật cản với phạm vi 2cm-400cm, trong khi cảm biến line tracking TCRT5000 phát hiện vạch line trên bề mặt. Bơm dung dịch khử khuẩn được điều khiển bởi transistor MOSFET IRF540N, đảm bảo dòng điện ổn định cho hoạt động phun.

3.2. Thi công cơ cấu cơ khí robot

Khung robot được chế tạo từ mica độ dày 5mm, chịu lực tốt và nhẹ nhàng. Cơ cấu di chuyển gồm bốn bánh xe chịu lực và hai bánh tải chủ động, kết nối bởi dây xích kích thước 1,3m x 4cm. Động cơ DC gắn trực tiếp vào trục bánh lái, đảm bảo độ cứng cáp khi chịu tải nặng. Cơ cấu phun khử khuẩn bao gồm hai servo gắn trên giá đỡ, tạo thành cánh tay robot hai bậc điều chỉnh hướng phun theo hai trục. Vòi phun chính gắn trên thanh mica dài 15cm, kết nối với bơm dung dịch qua ống silicon. Toàn bộ hệ thống được lắp ráp bằng ốc vít, đảm bảo sự ổn định trong quá trình vận hành.

IV. Kết quả thí nghiệm và ứng dụng thực tiễn

Sau khi hoàn thiện mô hình, nhóm tiến hành thí nghiệm kiểm tra ba phương thức điều khiển: thủ công qua ứng dụng di động, tự động dò line và tự động tránh vật cản. Kết quả cho thấy robot hoạt động ổn định trên bề mặt phẳng, có khả năng phát hiện vật cản trong phạm vi 20cm và điều chỉnh hướng di chuyển. Cơ cấu phun dung dịch khử khuẩn hoạt động với áp suất ổn định, đảm bảo độ phủ đều trên diện tích 1m² trong vòng 30 giây. Ứng dụng điều khiển trên điện thoại cho phép người dùng giám sát trạng thái robot, điều chỉnh hướng phun và tốc độ di chuyển. Dự án đã chứng minh tính khả thi của giải pháp robot khử khuẩn đa phương án, mở ra triển vọng ứng dụng trong các cơ sở y tế và không gian công cộng.

4.1. Đánh giá hiệu suất hệ thống

Thí nghiệm đánh giá hiệu suất hệ thống tập trung vào ba tiêu chí: khả năng di chuyển, hiệu quả phun khử khuẩn và độ tin cậy điều khiển. Robot đạt tốc độ di chuyển trung bình 0,2m/s trên bề mặt phẳng, có thể vượt qua vật cản cao 5cm. Cơ cấu phun dung dịch khử khuẩn hoạt động với lưu lượng 50ml/phút, đảm bảo độ phủ 100% trên bề mặt 1m² trong 30 giây. Module Bluetooth HC-06 cung cấp kết nối ổn định trong phạm vi 10m, cho phép điều khiển từ xa mượt mà. Tín hiệu cảm biến siêu âm và line tracking được xử lý chính xác, giúp robot hoạt động tự động hiệu quả.

4.2. Hướng phát triển trong tương lai

Nhóm đề xuất ba hướng phát triển chính cho dự án: tích hợp camera AI để nhận diện vật cản và khu vực cần khử khuẩn, nâng cấp dung lượng pin để kéo dài thời gian hoạt động và bổ sung chức năng tự động quay về điểm sạc khi hết pin. Ngoài ra, hệ thống có thể mở rộng sang ứng dụng khử khuẩn bằng tia UV kết hợp dung dịch, tăng cường hiệu quả diệt khuẩn. Việc thương mại hóa sản phẩm cần nghiên cứu thêm về chi phí sản xuất, độ bền vững và khả năng chống nước cho môi trường ẩm ướt. Dự án hướng đến đóng góp vào hệ sinh thái robot khử khuẩn tại Việt Nam, hỗ trợ công tác phòng chống dịch bệnh trong cộng đồng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn đề tài và bố cục đồ án. Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trình bày lý thuyết cơ sở làm tiền đề để thực hiện đồ án, sử dụng các đề tài đã được nghiên cứu làm cơ sở để tham khảo. Chương 3: Tính toán và thiết kế Từ những cơ sở lý thuyết có được đưa ra sơ đồ khối, tính toán và thiết kế các khối có trong hệ thống, thiết kế các lưu đồ giải thuật. Chương 4: Thi công hệ thống Trình bày quá trình thi công phần cứng hệ thống và xây dựng phần mềm điều khiển.

Chương 5: Kết quả - nhận xét - đánh giá Đưa ra kết quả, hình ảnh mô hình và nêu ý kiến đánh giá mô hình. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Đưa ra kết luận đề tài sau thời gian thực hiện và hướng phát triển của đề tài. Giới thiệu mô hình robot khử khuẩn Hiện nay xe phun khử khuẩn mang tính công nghệ cao chưa được áp dụng và phổ biến rộng rãi. Hầu hết những công việc khử khuẩn, phun thuốc được thực hiện bằng sức lao động của con người là chính nhưng hiệu suất công việc chưa cao và dễ gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe của người thực hiện công tác khử khuẩn do phải tiếp xúc trực tiếp với dung dịch.

Do đó, việc chế tạo sản phẩm robot phun khử khuẩn mang tính thiết thực để vận dụng vào thực tế với hiệu quả cao, đồng thời giảm sức lao động và tác nhân gây hại cho con người từ hóa chất là một điều cần thiết trong thời đại công nghệ 4. Vì vậy, mô hình robot phun khử khuẩn đưa ra nhằm thay thế đi các phương pháp khử khuẩn truyền thống và giúp đem lại nhiều hiệu quả trong công tác khử khuẩn cho con người. Trên thực tế, để thực hiện phun xịt khử khuẩn bên trong các khu cách ly, bệnh viện đang có người nhiễm Covid-19 thì robot rất thuận lợi sử dụng, bảo đảm tính an toàn cao cho người vận hành, tiết kiệm sức người, thời gian và có thể sử dụng bất kỳ lúc nào. Ngoài ra, khi tháo dỡ thùng đựng thuốc khử khuẩn, robot trở thành “người vận chuyển” hỗ trợ đưa hàng hóa, vật dụng của người bệnh hoặc lực lượng phục vụ, đội ngũ nhân viên y tế trong các khu cách ly, phong tỏa và địa điểm điều trị F0 tại nhà.

Mô hình robot khử khuẩn phòng cách ly Nhận thấy sự xuất hiện và lây lan mạnh mẽ của covid 19, công tác khử khuẩn càng được chú trọng nghiêm ngặt hơn đặc biệt là ở các khu cách ly điều trị ở bệnh viện. Với mục tiêu trên, các nhóm nghiên cứu đã thiết kế ra mô hình robot khử khuẩn phòng cách ly chuyên làm công việc khử trùng, diệt khuẩn ở các khu có nguy cơ lây nhiễm cao nhầm đảm bảo an toàn cho các nhân viên y tế. Mô hình sử dụng vi điều khiển trung tâm Arduino Nano và module SIM800C điều khiển cánh tay robot gắn các vòi phun sương phun thuốc diệt khuẩn. Sử dụng cảm biến E18- D80N để phát hiện vật cản kết hợp với mạch cầu VNH2SP30 điều khiển động cơ quay thuận nghịch giúp xe linh động di chuyển.

Tất cả các hoạt động của robot đều được điều khiển từ xa qua Flysky hoặc điều khiển trên giao diện web của máy tính. Trong đó, ưu điểm của mô hình này ngoài khả năng chính là phun khử khuẩn còn được kết hợp thêm các chức năng lau sàn nhà, vận chuyển thuốc và tự động khử khuẩn mình bằng dung dịch isopropyl 70%, hydrogen trước khi ra khỏi phòng cách ly. Tuy nhiên, nhược điểm của robot là khả năng phản hồi chưa tốt, cấu tạo khung bằng thép nên có trọng lượng lớn, ngoại hình khá cồng kềnh khó di chuyển ở khu vực nhỏ hẹp [1]. Mô hình robot khử khuẩn bề mặt bằng tia cực tím Công việc khử khuẩn dù được bảo hộ kỹ lưỡng nhưng vẫn có nguy cơ lây nhiễm rất cao.

Đề tài này nhằm mục đích thiết kế và thi công được mô hình robot diệt khuẩn bề mặt 4 i bằng tia cực tím UVC, đưa ra nhiều giải pháp pháp triển giúp thuận lợi hơn trong việc làm giảm sự lây lan của virus. Mô hình robot sử dụng kit EPS32S tích hợp sẵn module wifi làm khối xử lý trung tâm có chức năng truyền và nhận dữ liệu từ cảm biến HCSR04, cảm biến hồng ngoại để tránh vật cản. Robot sử dụng động cơ giảm tốc GA25 với tốc độ di chuyển 10cm/s và trang bị thêm 3 bóng đèn diệt khuẩn UVC giúp tăng khả năng diệt khuẩn lên đến 99%. Trong đó ưu điểm của mô hình robot này là có thể hoạt động ở 2 chế độ bao gồm: chế độ thủ công điều khiển qua app Blynk trên điện thoại và chế độ tự động được di chuyển theo quỹ đạo zizac giúp né tránh những chướng ngại vật mà robot phát hiện trên đường đi.

Tuy nhiên, mô hình vẫn còn một số khuyết điểm như ứng dụng phản hồi chậm, thao tác di chuyển chưa chính xác. Đồng thời việc khử khuẩn bằng tia cực tím UVC phải đảm bảo không có người xung quanh để tránh những tác hại do loại tia này gây ra cho da và mắt [2]. Mô hình robot tránh vật cản Với nhu cầu cuộc sống ngày càng phát triển, mỗi công nghệ mới hiện đại đều có một sức hút rất lớn. Robot dò đường tránh vật cản cũng là một trong những công nghệ mới đã và đang được áp dụng vào đời sống sinh hoạt hằng ngày của con người.

Robot có nhiệm vụ vận chuyển hàng hóa nhanh chóng từ công đoạn này đến công đoạn khác. Với khả năng tìm đường và tránh vật cản giúp thực hiện nhiệm vụ chính xác và an toàn. Trong ứng dụng ô tô, với việc thiết lập hệ thống này giúp người lái luôn trong thế chủ động khi di chuyển tránh những tai nạn ngoài ý muốn. Ngoài ra, còn giúp người lái có những trải nghiệm mới lạ.

Khi lùi xe vào chỗ đậu, các cảm biến liên tục đo. Nếu gần va chạm sẽ báo cho người lái biết, tránh những thiệt hại không cần thiết. Mô hình sử dụng board Arduino Mega 2560 để làm khối điều khiển trung tâm, module sensor, mạch điều khiển động cơ, động cơ servo và cảm biến siêu âm. Khi robot di chuyển cảm biến siêu âm sẽ phân tích dữ liệu vật cản.

Các thông tin được chuyển và xử lý bởi bộ điều khiển trung tâm Arduino. Khoảng cách giữa vật cản và Robot nếu nhỏ hơn 15cm robot sẽ dừng lại và quay sang trái (hoặc phải). Đến khi không còn vật cản Robot sẽ tiếp tục di chuyển. Trước khi di chuyển, Robot lùi lại và tính toán khoảng cách vật cản bên trái và phải.

Bên nào có khoảng cách lớn hơn thì Robot sẽ quay về hướng ấy. Quá trình này sẽ lặp lại với tất cả các vật cản tiếp theo khi Robot di chuyển. Nhược điểm là xe còn di chuyển khó khăn ở những địa hình phức tạp [3] 2. Mô hình robot dò đường Trên thế giới hiện nay có rất nhiều loại robot quy mô lớn như: Cánh tay robot hoạt động trong nhà máy, xí nghiệp, những hệ thống sản xuất tự động… Bên cạnh đó là những robot có thể di chuyển và làm những công việc nguy hiểm thay con người.

Robot dò line là một trường hợp đặc biệt của mobile robot, trong đó robot sẽ nhận biết vị trí tương đối của mình 5 i và bám theo đường line (line từ, line màu) đã có. Hiện nay robot dò line được ứng dụng rộng rãi trong các quá trình chế tạo trong công nghiệp, mang vác vật đến các địa điểm đặc biệt. Mô hình sử dụng board Arduino Mega 2560 để làm khối điều khiển trung tâm, module sensor và mạch điều khiển động cơ. Các mắt phát sẽ phát ra tia hồng ngoại có bước sóng hồng ngoại.

Mắt thu ở bề mặt chứa vùng sáng sẽ hấp thụ ánh sáng hồng ngoại đó. Ở trạng thái bình thường mắt thu có nội trở rất lớn (hàng trăm Kilo-Ohm). Khi thu nhận tia hồng ngoại vào nội trở của mắt thu giảm (vài chục Kilo-Ohm). Vì thế người ta gọi là Robot dò line do trong môi trường làm việc luôn có những đường line có tính chất phản xạ ánh sáng cao.

Đây sẽ là con đường di chuyển chủ yếu của Robot. Tuy nhiên nhược điểm của robot là không thể di chuyển trên các địa hình dốc và tốc độ di chuyển còn chậm [4]. Giới thiệu phần cứng 2. Module động cơ L298N Module L298N là một module có chứa IC L298 đã được tích hợp sẵn mạch cầu H thường được sử dụng để điều khiển tốc độ và hướng của động cơ như xe điều khiển, xe tự hành, điều khiển tốc độ quạt hút, hộp số giảm tốc, động cơ bước, động cơ servo.

Ngoài ra module cũng có thể dùng để kiểm soát độ sáng của các dự án chiếu sáng như mảng led công suất cao. Cụ thể là dùng module này để điều khiển tốc độ động cơ giảm tốc GA25 khi bánh xe robot di chuyển. Module này rất lý tưởng cho các ứng dụng để chế tạo robot. Dựa trên cơ sở đó, nhóm lựa chọn sử dụng module L298N để thực hiện việc điều khiển tốc độ di chuyển chậm của robot.

Module L298N có chức năng điều khiển tốc độ và hướng của động cơ DC, sử dụng nguồn cung cấp từ 5 – 35V, dòng cung cấp 0 – 36mA. Module có khả năng điều khiển tối đa 2 động cơ DC. Module này cũng được sử dụng trong đề tài [2] và [7] để điều khiển động cơ DC. Vi điều khiển Hiện nay vi điều khiển được lựa chọn trong rất nhiều đề tài để sử dụng làm bộ xử lý trung tâm.

Sau khi tham khảo qua đề tài [1] và [5], cả hai đều sử dụng board Arduino Nano ATmega 328P để làm bộ xử lý trung tâm. Cụ thể ở đề tài [1] tác giả dùng board Arduino để nhận tín hiệu từ module sim và cảm biến và thực hiện việc điều khiển di chuyển robot, còn trong đề tài [5] tác giả dùng board Arduino để điều khiển các cơ cấu xới đất, gieo hạt và di chuyển robot. Với các yêu cầu của mô hình, thực hiện việc điều khiển, giao tiếp với các module và động cơ, vì vậy nhóm đã lựa chọn dùng Arduino Nano ATmega 328P làm vi điều khiển chính. 6 i Arduino Nano là một boad mạch vi điều khiển sử dụng chip xử lý Atmega 328p, hoạt động ở điện áp 5V và có tổng cộng 36 chân.

Về bộ nhớ Arduino Nano tích hợp sẵn 32KB dung lượng bộ nhớ Flash, 2KB bộ nhớ SRAM và 1KB bộ nhớ EEPROM.