Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu, thiết kế và thi công mô hình Robot phun khử khuẩn

Đồ án tốt nghiệp trình bày chi tiết quá trình nghiên cứu, thiết kế và thi công mô hình robot phun khử khuẩn, ứng dụng thực tiễn trong phòng chống dịch.

• Tác giả: Trần Đặng Nhật
• Người hướng dẫn: Vũ Quang Huy
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Nghiên cứu, Thiết kế và Thi công mô hình Robot phun khử khuẩn
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Robot Phun Khử Khuẩn

Robot phun khử khuẩn là một công nghệ tiên tiến kết hợp cơ khí, điện tử và tự động hóa, được phát triển nhằm đáp ứng nhu cầu thực tiễn trong công tác phòng chống dịch bệnh. Đây là một giải pháp sáng tạo giúp thay thế nhân viên y tế trong những công việc nguy hiểm, đặc biệt là tại các phòng cách ly, bệnh viện và khu vực có nguy cơ nhiễm bệnh cao. Công nghệ không chạm được áp dụng cho robot khử trùng hiện nay rất hiệu quả, cho phép điều khiển chuyển động và phun hóa chất với liều lượng chính xác. Hệ thống này không chỉ đảm bảo hiệu quả khử khuẩn mà còn bảo vệ sức khỏe của nhân viên y tế, giảm nguy cơ lây nhiễm. Robot phun khử khuẩn hóa chất đã được triển khai rộng rãi trong các bệnh viện và cơ sở y tế, với mục tiêu nâng cao chất lượng dịch vụ chăm sóc sức khỏe.

1.1. Khái niệm và ứng dụng

Robot khử khuẩn là một cỗ máy tự động được thiết kế để phun các hóa chất khử trùng trong không gian khép kín. Ứng dụng chính của nó bao gồm khử khuẩn phòng bệnh, phòng cách ly, và các khu vực tái cấp cứu. Công nghệ này giúp giảm 99% vi khuẩn, virus và các tác nhân gây bệnh nguy hiểm. Với khả năng hoạt động 24/7, robot phun khử khuẩn nâng cao hiệu suất công tác phòng chống dịch bệnh đáng kể.

1.2. Tầm quan trọng trong bối cảnh hiện tại

Trong điều kiện dịch bệnh nguy hiểm, nhu cầu về robot khử trùng tự động tăng vọt. Công nghệ này giảm tiếp xúc trực tiếp giữa nhân viên y tế và môi trường nhiễm bệnh. Robot phun khử khuẩn tự động cũng giảm chi phí nhân sự dài hạn, tăng an toàn lao động, và cải thiện chất lượng khử khuẩn bằng cách đảm bảo độ bao phủ toàn diện.

II. Thiết Kế Hệ Thống Robot Phun Khử Khuẩn

Thiết kế robot phun khử khuẩn yêu cầu kết hợp nhiều thành phần kỹ thuật chuyên biệt. Hệ thống này bao gồm khung cơ khí, hệ thống lái, động cơ, bơm hóa chất, và vi điều khiển trung tâm. Thiết kế mô hình robot được xây dựng dựa trên nguyên tắc tối ưu hóa, đơn giản nhưng đủ mạnh để hoàn thành nhiệm vụ. Bộ điều khiển từ xa thông qua Bluetooth cho phép vận hành dễ dàng từ khoảng cách an toàn. Cảm biến mực hóa chất được lắp đặt để theo dõi lượng dung dịch khử trùng còn lại trong bồn. Vi điều khiển xử lý các tín hiệu từ thiết bị điều khiển và cảm biến, điều phối hoạt động của các động cơ và máy bơm một cách chính xác.

2.1. Cấu trúc cơ khí và hệ thống chuyển động

Mô hình robot phun khử khuẩn được thiết kế với khung cơ khí vững chắc, sử dụng các bánh xe chuyên dụng để di chuyển trên nhiều loại mặt đất khác nhau. Hệ thống lái sử dụng hai động cơ DC độc lập điều khiển bánh trái phải, cho phép xoay linh hoạt. Robot khử khuẩn được trang bị thùng dung dịch với dung tích phù hợp, vị trí trọng tâm cân bằng tốt để đảm bảo ổn định khi di chuyển.

2.2. Hệ thống điều khiển và xử lý tín hiệu

Vi điều khiển là trái tim của robot phun khử khuẩn, nhận tín hiệu từ bộ điều khiển từ xa Bluetooth và các cảm biến. Hệ thống xử lý tín hiệu in-time cho phép phản ứng nhanh chóng. Máy bơm được kiểm soát bởi vi điều khiển để phun hóa chất với liều lượng chính xác, đảm bảo hiệu quả khử khuẩn tối đa mà không lãng phí hóa chất.

III. Quy Trình Thi Công Mô Hình

Quá trình thi công mô hình robot phun khử khuẩn bắt đầu từ lập kế hoạch chi tiết, lựa chọn vật liệu thích hợp và linh kiện điện tử chất lượng cao. Thi công robot yêu cầu sự tỉ mỉ trong lắp ráp các bộ phận cơ khí, đảm bảo độ chính xác cao. Các kỹ sư phải tiến hành kiểm tra độ cân bằng, độ chắc chắn của khung cơ khí trước khi lắp đặt hệ thống điện. Thiết kế và thi công mô hình robot đòi hỏi tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn an toàn, đặc biệt là với các thành phần chứa hóa chất. Giai đoạn kiểm tra chức năng bao gồm test toàn bộ hệ thống điều khiển, cảm biến, động cơ và máy bơm để đảm bảo hoạt động đúng theo thiết kế.

3.1. Lắp ráp cơ khí và hệ thống cấp hóa chất

Lắp ráp robot khử khuẩn bắt đầu bằng lắp các bộ phận khung cơ khí với độ chính xác cao. Bánh xe, hệ thống lái, và thùng dung dịch được gắn kết chắc chắn. Máy bơm và các ống dẫn hóa chất được lắp đặt cẩn thận để tránh rò rỉ. Cảm biến mực được gắn vào bồn dung dịch, đảm bảo kết nối ổn định.

3.2. Lắp đặt điện tử và chương trình hóa

Hệ thống điện tử bao gồm vi điều khiển, relay điều khiển động cơ, và mạch sạc pin. Robot phun khử khuẩn được lập trình để nhận lệnh từ bộ điều khiển Bluetooth và điều phối các hoạt động tương ứng. Kiểm tra tất cả kết nối điện, xác định địa chỉ Bluetooth, và tinh chỉnh thông số phun hóa chất là bước quan trọng cuối cùng.

IV. Kết Quả và Triển Vọng Phát Triển

Robot phun khử khuẩn được thiết kế và thi công trong đề tài này đã đạt được kết quả thành công đáng kể. Mô hình hoàn thành khả năng di chuyển linh hoạt, phun hóa chất với liều lượng chính xác, và sử dụng điều khiển từ xa hiệu quả. Mặc dù có một số sai lệch nhỏ so với dự tính ban đầu, nhưng kết quả cuối cùng hoàn toàn có thể chấp nhận và đáp ứng đúng nhu cầu dự án. Thiết kế robot khử khuẩn này mở ra nhiều hướng cải tiến trong tương lai. Có thể nâng cấp thêm các cảm biến tự trị để robot tự động khám phá và khử khuẩn không gian. Hệ thống xử lý hình ảnh có thể được tích hợp để tăng độ tự động hóa. Công nghệ pin lâu bền hơn sẽ cho phép thời gian hoạt động liên tục dài hơn.

4.1. Những thành tựu đạt được

Robot khử trùng hoàn thành có khả năng di chuyển ổn định trên nhiều loại mặt sàn khác nhau. Hệ thống phun khử khuẩn được kiểm chứng hoạt động đúng chuẩn, với hiệu suất khử khuẩn cao. Điều khiển từ xa Bluetooth ổn định, phạm vi hoạt động thích hợp cho các phòng bệnh. Mô hình đã được kiểm tra an toàn, không rò rỉ hóa chất, và đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn cơ bản.

4.2. Hướng cải tiến và phát triển tương lai

Robot phun khử khuẩn tự động trong tương lai có thể được nâng cấp với hệ thống định vị toàn cầu (GPS) hoặc SLAM để tự động lập bản đồ. Tích hợp cảm biến thông minh để phát hiện vùng bẩn và tập trung vào đó. Phát triển robot khử khuẩn UV kết hợp để tăng hiệu quả. Nâng cao dung lượng pin, tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ cho thời gian hoạt động lâu hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về tình hình dịch và ý tưởng đề tài. - Chương 2: Các cơ sở lý thuyết để phát triển đề tài. - Chương 3: Phân tích hóa chất và lựa chọn vật liệu sử dụng trong đề tài. - Chương 4: Phương án thiết kế, các yêu cầu thiết kế.

- Chương 5: Thi công mô hình và kết quả thực nghiệm. 5 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cơ sở lý thuyết về công nghệ Hiện nay, kỹ thuật khử khuẩn, khử trùng đã có những phương pháp đa dạng và có những ưu nhược điểm khác nhau, chẳng hạn như:  Xử lý bằng nhiệt.  Phương pháp tiệt trùng Pasteur.  Phương pháp lọc.

 Diệt trùng bằng bức xạ.  Phương pháp hóa học.  Kết hợp của các phương pháp trên. Từ những phương pháp đó, đã có nhiều công nghệ đặc biệt được áp dụng để mang lại hiệu quả và sự an toàn cho con người khỏi những hóa chất độc, bức xạ mang đến sức khỏe xấu cho con người.

Ví dụ như “công nghệ không chạm”. Chúng ta không cần trực tiếp chạm vào những dụng cụ khử trùng và vật cần được khử trùng, thay vào đó sẽ là máy móc sát khuẩn thay cho chúng ta. 1: Máy sát khuẩn tự động tại Đà Nẵng. 6 Công nghệ không chạm được áp dụng vào nhiều ngành nghề khác nhau không chỉ riêng trong lĩnh vực diệt khuẩn, khử trùng.

Thường thì công nghệ không chạm hoạt động dựa trên nền tảng Robot và máy móc chuyên dụng. 2: Ảnh minh họa công nghệ không chạm.2 Các khái niệm Cơ khí và Kỹ thuật cơ khí là một ngành khoa học kỹ thuật ứng dụng các nguyên lý vật lý, kỹ thuật, khoa học vật liệu để thiết kế, phân tích, chế tạo, bảo dưỡng và hoàn thiện các loại máy móc và hệ thống cơ khí. Kỹ thuật cơ khí là ngành, nghề lâu đời nhất, rộng lớn nhất của kỹ thuật. Nó liên quan đến thiết kế, chế tạo, vận hành máy móc, hệ thống cơ khí.

Kỹ thuật cơ khí cần sự am hiểu về các lĩnh vực như cơ học, động lực học, nhiệt động lực học, khoa học vật liệu, phân tích cấu trúc và năng lượng. Ngoài những lĩnh vực trên, kĩ thuật cơ khí còn sử dụng các công cụ như thiết kế với sự trợ giúp của máy tính (CAD), và quản lí vòng đời sản phẩm để thiết kế và phân tích nhà máy sản xuất, thiết bị công nghiệp và máy móc, hệ thống nhiệt và làm lạnh, hệ thống giao thông, máy bay, tàu thủy, robot, thiết bị y học, vũ khí và những cái khác. Các chuyên ngành cơ bản của cơ khí bao gồm: động học, tĩnh học, sức bền vật liệu, truyền nhiệt, động lực dòng chảy, cơ học vật rắn, điều khiển học, khí động học, thủy lực, chuyển động học và các ứng dụng nhiệt động lực học. 7 - Cơ học: là một ngành của vật lý nghiên cứu về chuyển động của vật chất trong không gian và thời gian dưới tác dụng của các lực và những hệ quả của chúng lên môi trường xung quanh.

Thông thường khi nói đến cơ học, ta sẽ hiểu ngầm rằng đó là cơ học cổ điển, ngành này nghiên cứu các vật thể vĩ mô có vận tốc chuyển động nhỏ hơn nhiều so với tốc độ ánh sáng. Thuyết tương đối hẹp nghiên cứu các vật thể chuyển động với vận tốc xấp xỉ tốc độ ánh sáng và thuyết tương đối rộng mở rộng định luật vạn vật hấp dẫn của Newton lên một mức sâu sắc hơn. Cơ học lượng tử nghiên cứu tự nhiên ở cấp độ vi mô và là thành tựu to lớn của vật lý hiện đại. - Cơ điện tử hay Kỹ thuật cơ điện tử là một nhánh kỹ thuật liên ngành chú trọng vào các ngành kỹ thuật điện tử và kỹ thuật cơ khí, cũng như nghiên cứu các lĩnh vực robot học, điện tử học, kỹ thuật máy tính, viễn thông, kỹ thuật hệ thống, kỹ thuật điều khiển và Product engineering.

Với sự phát triển theo thời gian của công nghệ, nhiều phân ngành kỹ thuật đã thành công trong việc thích ứng và nhân rộng. Mục tiêu của ngành kỹ thuật cơ khí nhằm tạo ra giải pháp thiết kế (design solution) nhằm hợp nhất các phân ngành lại với nhau. Ban đầu, lĩnh vực nghiên cứu của cơ điện tử được dự định chỉ bao gồm sự kết hợp giữa cơ khí và điện tử, vì thế tên ngành là từ ghép giữa Cơ khí và Điện tử học (hay Mechatronics từ mechanics và electronics). 3: Giải thích về ngành Cơ điện tử (Theo: FME – HCMUTE).

8 - Hóa học là ngành nghiên cứu về thành phần, cấu trúc, tính chất và sự thay đổi của vật chất. Hóa học nói về các nguyên tố, hợp chất, nguyên tử, phân tử và các phản ứng hóa học xảy ra giữa các thành phần đó. - Sức bền vật liệu là ngành nghiên cứu về độ bền của vật liệu (đặc tính cơ bản của vật liệu) như khả năng chịu đựng không bị nứt, gãy, phá hủy dưới tác động của ngoại lực lên vật thể. Độ bền ta có thể hiểu rộng hơn như: độ bền kéo, độ bền nén, độ bền cắt, độ bền uốn, độ bền mỏi, độ bền va đập, giới hạn chảy,… 2.3 Công nghệ động cơ a.

Động cơ là thiết bị chuyển hóa một dạng năng lượng nào đó trở thành động năng. Ví dụ như: - Động cơ điện: chuyển hóa điện năng thành động năng. - Động cơ Diesel chuyển hóa năng lượng của nhiên liệu thành động năng. - Động cơ thủy lực biến đổi áp năng, áp suất thành động năng.

- Động cơ gió (cối xay gió) biến đổi năng lượng gió thành động năng. - Động cơ đốt trong là động cơ nhiệt đốt nhiên liệu trong buồng đốt để lấy công của áp suất từ khí giãn nở. - Động cơ khí nén sử dụng khí nén chuyển hóa thành động năng. Với sự đa dạng của các loại động cơ khác nhau, có thể ứng dụng chúng vào nhiều lĩnh vực khác nhau trong đời sống và công nghiệp, kỹ thuật.

Động cơ điện được chia thành 2 bộ phận chính: đó là stator (phần đứng yên) và rotor (phần chuyển động) được quấn nhiều vòng dây dẫn hay có nam châm vĩnh cửu. Khi cuộn dây trên rotor được nối với nguồn điện, xung quanh nó sinh ra các từ trường, sự tương tác từ trường của rotor và stator tạo thành chuyển động quay của rotor quay quanh trục hay một momen. Máy bơm nước (ứng dụng từ động cơ) là một loại máy thủy lực, nhận năng lượng từ bên ngoài (cơ năng, điện năng, thủy năng,…) và truyền năng lượng cho dòng chất lỏng, nhờ vậy đưa chất lỏng lên một độ cao nhất định hoặc dịch chuyển chất lỏng theo hệ thống đường ống. 4: Ảnh minh họa nguyên lý hoạt động của máy bơm nước.

Máy bơm vận hành dựa trên nguyên lí chung là hút và đẩy. Nó hút hết không khí ra khỏi 1 đường ống (tạo chân không) làm cho áp suất trong đường ống giảm về 0. Khi đó, áp suất đè lên mặt nước, làm cho nước trong ống dâng lên. Khi thân bơm và ống hút được cung cấp đầy đủ nước, máy sẽ hoạt động theo quá trình hút đẩy, quá trình hút đẩy được diễn ra liên tục nhằm tạo ra dòng chảy không ngừng giúp vận chuyển nước theo áp lực được tạo ra tính theo công suất của máy bơm.4 Cơ sở lý thuyết về cơ khí và điện tử Với nhu cầu điều khiển được vòi phun linh hoạt trong khi Robot di chuyển ta có thể sử dụng cơ cấu bánh răng trụ răng thẳng, vitme – đai ốc, cơ cấu trượt tịnh tiến.

a) Bánh răng: Hình 2. 5: Các thông số cơ bản của bánh răng. Đường kính đỉnh răng: da 10 Đường kính chân răng: df Đường kính cơ sở: d0 Đường kính vòng chia: d Bề dày răng: st Bề rộng rãnh răng: et Bước răng: t Chiều cao răng: h Mođun của răng: m Số răng: Z Góc ăn khớp: α Khoảng cách trục: a Với: 𝑡 𝑚= (2.6) 2𝑐𝑜𝑠𝛽 b) Vít me – đai ốc là cơ cấu truyền động biến truyền động quay thành chuyển động tịnh tiến. 11 Trục vít me – đai ốc là thiết bị truyền động cơ học tuyến tính, biến chuyển động quay sang chuyển động tịnh tiến với độ chính xác cao, lực ma sát ít.

Cơ cấu vít me – đai ốc là bộ truyền động được cấu tạo gồm một rãnh xoắn ốc cho các viên bi trong ổ bi, vòng bi chạy bên trong, ổ bi hoạt động dựa trên nguyên lý biến đổi chuyển động quay sang tịnh tiến. Cụ thể, khi trục vít xoay, các viên bi bị đổi hướng trong ống lệch hướng và đi vào ống hồi bi. Tại ống hồi bi, các viên bi cho phép di chuyển liên tục đến phía cuối của đai ốc, sau đó đi ra khỏi ống hồi bi và đi vào rãnh giữa đai ốc và trục vít. Nhờ có cấu tạo đặc biệt như vậy nên cơ cấu vít me – đai ốc có thể hoạt động chính xác, trơn tru khi liên tục lặp đi lặp lại quá trình chuyển động này.

6: Trục vitme và đai ốc. Cơ cấu vitme – đai ốc có đặc điểm: - Độ chính xác cao, tỷ số truyền lớn. - Truyền động êm, có khả năng tự hãm, lực truyền lớn. - Có thể truyền động nhanh với vitme có bước ren hoặc số vòng quay lớn.

- Hiệu suất truyền động thấp nên ít được sử dụng làm chuyển động chính của hệ thống, máy móc. c) Bluetooth: Để có thể điều khiển từ xa (điều khiển thiết bị với một khoảng cách nhất định không thông qua dây dẫn) tính đến thời buổi bây giờ có rất nhiều phương pháp và ứng dụng công nghệ, ví dụ: kết nối Bluetooth, sử dụng tia hồng ngoại, sử dụng sóng vô tuyến, kết nối wifi,… Để phù hợp với giá thành và dễ dàng sử dụng được ta có thể sử dụng kết nối Bluetooth. “Bluetooth là một chuẩn công nghệ truyền thông không dây tầm gần giữa các thiết bị điện 12 tử. Công nghệ này hỗ trợ việc truyền dữ liệu qua các khoảng cách ngắn giữa các thiết bị di động và cố định, tạo nên các mạng các nhân không dây (Wireless Personal Area Network- PANs)” (Theo Bách khoa toàn thư mở Wikipedia).

Nó có thể truyền dữ liệu với tốc độ lên tới 1Mb/s, 720Kbps trong phạm vi có thể lên đến 100m. Nó được ứng dụng để trao đổi thông tin giữa điện thoại, máy tính xách tay, PC, máy in, thiết bị định vị dùng GPS,… 2.5 Định nghĩa về Robot Robot là một loại máy móc có thể thực hiện công việc, nhiệm vụ một cách tự động bằng sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình. Robot là một tác nhân cơ khí, nhân tạo, ảo, thường là một hệ thống cơ khí – điện tử.