Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực trang trí nội ngoại thất, quảng cáo và kiến trúc hiện đại, nhu cầu tạo ra các tác phẩm hội họa, hoa văn kích thước lớn trực tiếp trên bề mặt tường ngày càng gia tăng. Phương pháp thi công thủ công truyền thống của người họa sĩ đòi hỏi thời gian kéo dài, chi phí nhân công cao và phụ thuộc lớn vào tay nghề cá nhân. Hơn nữa, việc thi công các bức tranh ở vị trí trên cao hoặc không gian phức tạp tiềm ẩn nhiều rủi ro về an toàn lao động. Sự phát triển của kỹ thuật điều khiển số máy tính (CNC) và công nghệ cơ điện tử mở ra khả năng tự động hóa quy trình vẽ tranh tường nhằm đảm bảo tính đồng nhất, tốc độ thực hiện và độ chuẩn xác cơ học. Đồ án "Nghiên cứu, phát triển robot vẽ hình trên tường" (mã số đề tài CKM-31) được nhóm tác giả tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh thực hiện nhằm giải quyết bài toán tự động hóa này.

Văn bản xác định rõ các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, cơ cấu bảng điều khiển và mô hình của robot vẽ tranh trên tường.
  2. Mô hình hóa thiết kế 3D bằng phần mềm Solidworks 2020.
  3. Tính toán và hoàn chỉnh thiết kế cơ khí cho robot vẽ tranh trên tường và sử dụng phần mềm AutoCAD để thể hiện chi tiết cơ cấu, nguyên lý hoạt động của máy.
  4. Thể hiện đầy đủ tập bản vẽ chi tiết và bản vẽ lắp các cụm chi tiết có trong robot.
  5. Nghiên cứu, phát triển hệ thống điều khiển, phần mềm và bo mạch để điều khiển các trục chuyển động chính xác, đồng bộ với nhau.
  6. Đảm bảo tính an toàn cho người sử dụng trong suốt quá trình robot vận hành.
  7. Gia công, chế tạo, lắp ráp các hệ thống của robot và tiến hành chạy thực nghiệm trên thực tế.
  8. Đánh giá tổng thể chất lượng sản phẩm sau khi vẽ để đưa ra kết luận và hoàn thiện mô hình.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án bao gồm: nguyên lý hoạt động, cơ cấu bảng điều khiển và mô hình robot vẽ tranh tường; các dòng robot vẽ tranh hiện có trên thị trường; phương pháp điều khiển động cơ bước (Step Motor) và động cơ Hybrid Motor; kỹ thuật điều khiển CNC 3 trục; giao diện điều khiển máy tính; phần mềm thiết kế Solidworks 2020; quá trình tạo nét vẽ trên các bề mặt và vật liệu tường khác nhau; đánh giá chất lượng và hiệu suất nét vẽ của sản phẩm hoàn thiện.

Phạm vi nghiên cứu được giới hạn cụ thể:

  • Phạm vi không gian và đối tượng làm việc: Thiết bị được thiết kế để vẽ trên các bề mặt tường phẳng (như tường xi măng, bề mặt gỗ), với kích thước khung tranh giới hạn trong phạm vi 800 x 400 mm.
  • Phạm vi tài liệu và thời gian: Nghiên cứu được thực hiện trong khuôn khổ Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, hoàn thành và nộp báo cáo vào tháng 7 năm 2024 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đề tài được xây dựng trên nền tảng kỹ thuật điều khiển số 3 trục (X, Y, Z), lý thuyết động học máy và công nghệ phun phủ bề mặt. Nhóm tác giả tổng hợp lý thuyết cơ cấu chấp hành thông qua việc so sánh các đặc tính kỹ thuật giữa động cơ bước (Step Motor) và động cơ Servo về mô-men xoắn, khả năng điều khiển vị trí không cần vòng phản hồi phức tạp và giá thành chế tạo. Về truyền động cơ khí, đề tài dựa trên nguyên lý truyền động đai răng (timing belt pulley), khớp nối mềm và bộ truyền trục vít me – đai ốc. Bên cạnh đó, đề tài phân tích lý thuyết công nghệ phun sơn công nghiệp, bao gồm các công nghệ: phun sơn thông thường (LVHP), phun sơn tĩnh điện (Electrostatic), công nghệ áp lực thấp lưu lượng cao (HVLP), công nghệ Transtech, phun sơn chân không (Airless) và phun sơn có trợ khí (Airmix). Trên cơ sở đó, lý thuyết hoạt động của bút phun sơn mỹ thuật (Airbrush) được lựa chọn làm cơ sở cho cơ cấu tạo hình. Về vật liệu tạo màu, văn bản khảo sát cơ sở hóa lý của 7 hệ sơn: sơn Acrylic, sơn gốc dầu (Oil-based), sơn Enamel, sơn Urethane, sơn phát quang, sơn ánh kim (Metallic) và sơn Lacquer (sơn gốc xăng).

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai bao gồm:

  • Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Khảo sát các tài liệu chuyên ngành về robot và điều khiển tự động như "Robot Programming: A Guide to Controlling Autonomous Robots" (Cameron Hughes & Tracey Hughes), "The Robotics Primer" (Maja J. Matarić), "Điều khiển tự động - Cơ sở và ứng dụng" (GS. Nguyễn Văn Hiệp), "CNC Programming Handbook" (Peter Smid) và "The CNC Cookbook" (Edward Ford).
  • Phương pháp phân tích và tổng hợp: Phân tích ưu nhược điểm của các dạng kết cấu robot vẽ tranh trên thế giới (cáp treo, cánh tay robot SCARA, cánh tay dài, kết cấu gantry và máy in 3D); đánh giá các phương án điều khiển đóng mở dòng khí/sơn để lựa chọn giải pháp tối ưu.
  • Phương pháp mô hình hóa và thiết kế kỹ thuật: Ứng dụng phần mềm Solidworks 2020 để dựng mô hình 3D toàn bộ khung máy, các cụm gá đỡ và kiểm tra không gian làm việc; dùng AutoCAD để bóc tách bản vẽ kỹ thuật gia công.
  • Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo mẫu thử vật lý, đấu nối mạch điều khiển, hiệu chỉnh thông số bước/xung (tuning steps per unit) trên phần mềm Mach3Mill; chạy thử nghiệm vẽ tranh đơn sắc và đa sắc trên các bề mặt tường thực tế để thu thập dữ liệu về độ chính xác và chất lượng nét sơn.

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu xuất phát từ thông số kỹ thuật (catalogue) của các linh kiện cơ điện tử thương mại (như xi lanh Airtac CDJ2D16-20-B, van điện từ 4V220-08, bo Mach3 USB, nguồn tổ ong 24V, bút Airbrush HD-130) và các kết quả đo kiểm thực tế trong quá trình vẽ thử nghiệm tại xưởng thực hành.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống robot vẽ hình trên tường được thiết kế và triển khai dưới dạng một hệ thống cơ điện tử tích hợp hoàn chỉnh:

[File ảnh gốc] --> [Phần mềm tách màu] --> [Inkscape tạo G-code] --> [Mach3Mill / Bo USB] --> [Driver & Step Motor] (Trục X, Y, Z)
                                                                                             --> [Van 4V220-08 & Xi lanh CDJ2D16-20-B] (Cò súng Airbrush HD-130)

Kiến trúc cơ khí và cơ cấu chấp hành

Khung máy sử dụng kết cấu dạng cổng trục (gantry) di chuyển 3 trục tọa độ:

  • Trục X: Dẫn động thông qua hệ thống khớp nối mềm liên kết trục động cơ, đảm bảo truyền động tịnh tiến êm dịu dọc theo chiều ngang.
  • Trục Y: Sử dụng hệ thống truyền động puli – đai răng nhằm duy trì tốc độ di chuyển ổn định và giảm thiểu quán tính cho cụm đầu vẽ khi di chuyển theo phương đứng.
  • Trục Z: Cơ cấu vít me – đai ốc chịu trách nhiệm tịnh tiến cụm đầu phun vào sát hoặc ra xa bề mặt tường theo tọa độ được cài đặt.
  • Cụm đầu phun (End-effector): Sử dụng bút vẽ mỹ thuật Airbrush model HD-130 gắn kèm hộp đựng sơn gia công riêng. Cò điều khiển lưu lượng khí và sơn của bút Airbrush được kích hoạt tự động bằng xi lanh khí nén mini AIRTAC mã CDJ2D16-20-B, thay thế cho phương án dùng khóa chốt điện từ 12VDC.

Hệ thống điện và điều khiển

  • Bo mạch điều khiển trung tâm: Sử dụng bo mạch Mach3 chuẩn giao tiếp USB, chịu trách nhiệm nhận lệnh G-code từ máy tính và phân phối xung điều khiển.
  • Mạch công suất: Các Driver chuyên dụng điều khiển Step Motor cho 3 trục X, Y, Z.
  • Mạch điều khiển khí nén: Tín hiệu kích hoạt từ cổng xuất (Output) của bo Mach3 đi qua rơ le trung gian để đóng ngắt cuộn hút của van điện từ khí nén Airtac mã 4V220-08. Van này dẫn khí từ bình tích áp vào xi lanh mini CDJ2D16-20-B để nhấn hoặc nhả cò súng Airbrush.
  • Nguồn cấp: Sử dụng bộ nguồn tổ ong công nghiệp chuyển đổi điện áp sang 24VDC, cung cấp năng lượng cho driver động cơ và các thiết bị phụ trợ.

Quy trình phần mềm và xử lý dữ liệu

  1. Tiền xử lý hình ảnh: Ảnh mẫu được đưa vào phần mềm tách màu chuyên dụng để phân rã thành các lớp ảnh đơn sắc riêng biệt (như kênh màu xanh, kênh màu đỏ).
  2. Tạo quỹ đạo chuyển động: Mỗi lớp ảnh đơn sắc được nhập vào phần mềm Inkscape để tiến hành vector hóa đường nét và xuất thành tệp mã lệnh G-code.
  3. Thực thi điều khiển: Phần mềm Mach3Mill nạp tệp G-code, tính toán thông số phát xung cho từng trục động cơ và điều khiển đóng mở rơ le khí nén. Nhóm nghiên cứu thiết lập các thông số về chế độ gốc tọa độ (Home) và giới hạn mềm (SoftLimits) trên giao diện Mach3Mill tùy chỉnh để định vị không gian làm việc an toàn trong phạm vi 800 x 400 mm.
  4. Lựa chọn dung môi và chất phủ: Nhóm tác giả thực nghiệm và đưa ra kết luận chọn sơn Lacquer (sơn gốc xăng) cho súng Airbrush HD-130 nhờ đặc tính nhanh khô, khả năng chồng màu tốt, màng sơn cứng cáp chịu được biến đổi thời tiết và hạt sơn phân tán đều qua đầu béc phun nhỏ.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương mở đầu trình bày tính cấp thiết của việc tự động hóa công tác vẽ tranh tường, khẳng định ý nghĩa khoa học trong việc kết hợp đa ngành (cơ khí, điện tử, phần mềm, mỹ thuật) và ý nghĩa thực tiễn trong nâng cao năng suất, an toàn lao động. Chương 1 liệt kê 8 mục tiêu nghiên cứu cụ thể, xác định đối tượng nghiên cứu là robot CNC 3 trục vẽ tường và phạm vi đề tài giới hạn trên mặt phẳng kích thước tranh 800 x 400 mm. Các phương pháp nghiên cứu tài liệu, phân tích tổng hợp, mô phỏng trên Solidworks 2020 và thực nghiệm kiểm chứng cũng được xác lập tại đây.

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài

Chương này điểm lại lịch sử phát triển của robot vẽ từ thập niên 1970–1980 đến nay. Tác giả giới thiệu các công trình tiêu biểu trên thế giới: robot cáp treo Hektor (2002), robot xóa vẽ Scribit (2018), mô hình mã nguồn mở Vertical Plotter, robot để bàn AxiDraw V3, robot SCARA HIWIN, robot dạng gantry, robot cánh tay dài và robot dùng công nghệ in 3D. Đồng thời, tác giả khảo sát 2 loại máy phay CNC công nghiệp gồm Makino A51NX (đứng) và Makino A61NX-5E (ngang). Chương 2 phân tích sâu về các công nghệ phun sơn (LVHP, tĩnh điện, HVLP, Transtech, chân không, Airmix), các dạng súng phun (Airspray, Airless, Airmix, súng tĩnh điện, lon xịt) và cấu tạo chi tiết gồm 35 bộ phận của bút vẽ mỹ thuật Airbrush. Cuối chương, 7 hệ sơn được phân tích chi tiết, dẫn đến quyết định lựa chọn sơn Lacquer gốc xăng cho hệ thống thử nghiệm.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương tập trung vào cơ sở tính toán phần cứng máy. Tác giả lập bảng so sánh chi tiết giữa động cơ bước và động cơ servo về cấu tạo, đặc tính vận hành, giá thành và độ phức tạp điều khiển. Tiếp đó là các bước tính toán tải trọng, mô-men xoắn cần thiết để lựa chọn động cơ cho từng trục X, Y, Z. Về hệ thống truyền động, chương phân tích nguyên lý truyền động puly – đai thang, puly – đai răng và cơ cấu vít me – đai ốc, làm căn cứ chọn phương án dẫn động cơ học.

Chương 4: Phương hướng và các giải pháp

Chương này cụ thể hóa các yêu cầu kỹ thuật của đề tài và đưa ra 2 phương án kết cấu tổng thể cho robot vẽ tranh trên tường. Tác giả phân tích ưu và nhược điểm của từng phương án kết cấu cơ khí, khả năng bố trí các cụm trục di chuyển và cụm giá đỡ đầu vẽ. Từ sự so sánh này, nhóm nghiên cứu lựa chọn phương án tối ưu về tính vững vững, độ chính xác di chuyển và tính khả thi trong gia công chế tạo thực tế.

Chương 5: Tính toán thiết kế máy

Chương 5 trình bày các thông số thiết kế chi tiết của máy. Tác giả thuyết minh việc lựa chọn hệ thống truyền động khớp nối mềm cho trục X, bộ truyền đai răng cho trục Y và vít me cho trục Z. Trong chương này, tác giả xem xét, tính toán kiểm nghiệm các thông số hình học và tải trọng của các loại xi lanh chuyển động (như các dòng xi lanh MCH09080H10K, LEY32NYA-450, RCP4-RA5C-I-42P-6-200-P3-S), xây dựng bảng thông số các khâu và thiết lập bài toán động học thuận cùng thuật toán điều khiển chuyển động của robot.

Chương 6: Thiết kế hệ thống điều khiển

Chương 6 xây dựng nguyên lý vận hành toàn diện của robot vẽ tranh. Tác giả lựa chọn các thiết bị phần cứng gồm: động cơ bước/hybrid, bộ điều khiển driver, bo mạch giao tiếp Mach3 kết nối qua cổng USB và bộ nguồn tổ ong 24V. Đặc biệt, tác giả phân tích và so sánh phương án dùng xi lanh khí nén với khóa chốt điện từ 12VDC để dập nhả cò bút Airbrush, từ đó chọn xi lanh khí nén mini AIRTAC CDJ2D16-20-B kết hợp van điện từ 4V220-08 và rơ le trung gian. Chương này cũng trình bày các công thức tính toán thông số phát xung (Pulse steps) cho 3 trục X, Y, Z trên phần mềm Mach3, sơ đồ đấu nối mạch điện chi tiết và thiết lập thông số động cơ.

Chương 7: Chế tạo, thực nghiệm thực tế và đánh giá

Chương cuối cùng ghi lại quá trình gia công cơ khí thực tế các chi tiết: gá đỡ trục X, cụm trục Y, cụm trục Z, giá đỡ bút, giá đỡ xi lanh, hộp đựng sơn và lắp ráp lên khung máy. Tác giả trình bày quy trình phần mềm: sử dụng công cụ tách màu ảnh, chuyển đổi vector sang mã G-code bằng Inkscape, cấu hình chế độ Home/SoftLimits và thiết kế giao diện Mach3Mill mới. Sau đó, nhóm tiến hành các bài chạy thử nghiệm vẽ tranh đơn sắc và đa sắc trên tường, theo dõi lưu đồ giải thuật vận hành, lập bảng so sánh và đánh giá chất lượng sản phẩm sau mỗi lần vẽ thực tế.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã hoàn thành toàn diện việc thiết kế, gia công và thử nghiệm mô hình thực tế của robot vẽ tranh trên tường với các chỉ số kỹ thuật và kết quả cụ thể:

  • Chế tạo hoàn chỉnh khung robot dạng gantry 3 trục chuyển động X, Y, Z có khả năng vận hành ổn định trên bề mặt tường phẳng, đáp ứng chính xác phạm vi vẽ theo yêu cầu ban đầu là 800 x 400 mm.
  • Tích hợp thành công cơ cấu chấp hành sử dụng bút vẽ mỹ thuật Airbrush HD-130 điều khiển bằng cụm khí nén tự động.

Dưới đây là bảng so sánh kỹ thuật giữa hai phương án điều khiển cò bút vẽ được tác giả thực hiện trong quá trình tối ưu hóa hệ thống:

Tiêu chí so sánh Phương án Khóa chốt điện từ 12VDC Phương án Xi lanh khí nén (AIRTAC CDJ2D16-20-B)
Lực tác động Lực hút hạn chế, phụ thuộc chặt chẽ vào khoảng cách khe hở từ tính. Lực đẩy/kéo mạnh, ổn định, dễ dàng điều chỉnh qua áp suất bình nén khí.
Độ nhạy và phản hồi Tốc độ đóng nhanh nhưng hành trình ngắn, dễ kẹt khi chịu lực cản của lò xo cò bút. Chuyển động tịnh tiến dứt khoát, hành trình chuẩn xác theo cài đặt của xi lanh mini.
Độ bền khi làm việc liên tục Dễ bị quá nhiệt cuộn dây điện từ khi duy trì trạng thái đóng lâu; lực hút giảm khi nóng. Không bị quá nhiệt, hoạt động mát và bền bỉ trong chu kỳ vẽ tranh kéo dài nhiều giờ.
Độ phức tạp cơ cấu gá đặt Gá đặt đơn giản nhưng khó căn chỉnh độ sâu nhấn cò súng Airbrush. Cần thêm hệ thống van 4V220-08 và đường ống dẫn khí, nhưng gá kẹp chắc chắn và tinh chỉnh nét dễ dàng.
Kết luận lựa chọn Loại bỏ sau khi thử nghiệm sơ bộ. Được lựa chọn chính thức để lắp ráp trên mô hình thực tế.

Về mặt công nghệ và điều khiển:

  • Xây dựng thành công chuỗi công cụ phần mềm khép kín từ khâu tiếp nhận ảnh số -> tách dải màu độc lập -> vector hóa và xuất G-code qua Inkscape -> biên dịch và điều khiển chuyển động qua Mach3Mill bằng bo Mach3 USB.
  • Xác lập bộ thông số phát xung và cấu hình giới hạn an toàn (Home/SoftLimits) trên giao diện điều khiển, giúp loại bỏ nguy cơ va chạm cơ khí trong quá trình di chuyển.
  • Đánh giá chất lượng thực nghiệm chứng minh robot tạo ra các nét vẽ đồng đều, biên độ sắc nét, kiểm soát tốt lưu lượng phun khi kết hợp sơn Lacquer gốc xăng với áp lực khí nén ổn định.

Đóng góp của đồ án thể hiện ở việc kết hợp nguyên lý điều khiển CNC 3 trục với công nghệ phun sơn mỹ thuật Airbrush, cung cấp giải pháp thay thế sức lao động thủ công trong trang trí mặt phẳng thẳng đứng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ theo nội dung và giới hạn đề tài được nêu trong văn bản, đồ án còn tồn tại một số hạn chế kỹ thuật:

  • Phạm vi hoạt động cơ học còn hạn chế: Thiết bị chỉ có thể thao tác trong không gian khung tranh kích thước 800 x 400 mm, chưa thể mở rộng ra các bức tường có diện tích lớn mang tính thương mại.
  • Yêu cầu nghiêm ngặt về bề mặt: Hệ thống trục và thuật toán hiện tại chỉ hoạt động được trên các bề mặt tường phẳng; không có cơ cấu tự động bù sai lệch khi gặp bề mặt gồ ghề, lồi lõm hoặc biến dạng.
  • Mức độ tự động hóa thay màu sơn chưa khép kín: Khi vẽ tranh đa sắc, hệ thống vẫn cần dừng lại để thực hiện quy trình vệ sinh bình chứa và thay đổi màu sơn Lacquer theo từng lớp đơn sắc đã tách.

Các hướng phát triển tiếp theo được nhóm tác giả đề xuất gồm:

  • Cải tiến kết cấu cơ khí để robot có thể thích ứng và vẽ được trên các bề mặt tường không phẳng hoặc có độ dốc.
  • Nâng cấp phần mềm điều khiển nhằm hỗ trợ biên dịch các mẫu hình vẽ có độ phức tạp cao hơn, rút ngắn thời gian xử lý quỹ đạo.
  • Tích hợp công nghệ nhận dạng hình ảnh (thị giác máy tính) và trí tuệ nhân tạo để robot tự động căn chỉnh vị trí, tự phát hiện lỗi bề mặt và tự động vẽ theo các hình mẫu có sẵn trong thực tế.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp này là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên và giảng viên thuộc các ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí, Tự động hóa và Robot đang thực hiện đề tài tốt nghiệp hoặc dự án nghiên cứu về máy CNC chuyên dụng, thiết bị vẽ tự động.
  • Các kỹ sư phát triển thiết bị tự động hóa ứng dụng trong mỹ thuật, trang trí nội thất và quảng cáo ngoài trời.

Những nội dung có giá trị tham khảo cao nhất trong văn bản gồm:

  • Toàn bộ quy trình tính toán lực và lựa chọn động cơ, bộ truyền đai răng, khớp nối mềm tại Chương 3 và Chương 5.
  • Giải pháp thiết kế cơ cấu chấp hành điều khiển cò súng Airbrush bằng xi lanh khí nén mini kết hợp van điện từ tại Chương 6.
  • Phương pháp phối hợp giữa Inkscape (tạo G-code từ ảnh tách màu) và phần mềm Mach3Mill để cấu hình xung động cơ bước điều khiển hệ thống 3 trục tịnh tiến.

Câu hỏi thường gặp

1. Robot vẽ tranh trong đồ án sử dụng công nghệ tạo nét và loại sơn nào để vẽ lên tường?

Robot sử dụng bút vẽ mỹ thuật (súng phun sơn Airbrush model HD-130) để tạo nét vẽ. Qua quá trình khảo sát và thực nghiệm các hệ sơn khác nhau (Acrylic, sơn dầu, Enamel, Urethane...), nhóm tác giả đã lựa chọn sơn Lacquer (sơn gốc xăng). Loại sơn này khô rất nhanh, có độ bám dính và độ bền màu cao, chống trầy xước, chịu được thời tiết khắc nghiệt và cho hạt phun mịn, sắc nét qua đầu kim phun nhỏ của bút Airbrush.

2. Cơ cấu nào được dùng để đóng/mở cò phun sơn tự động trên súng Airbrush?

Nhóm tác giả sử dụng xi lanh khí nén mini AIRTAC mã CDJ2D16-20-B, điều khiển qua van điện từ Airtac 4V220-08 và một rơ le trung gian nhận tín hiệu xuất từ bo mạch Mach3. Phương án này được chọn sau khi so sánh với khóa chốt điện từ 12VDC vì xi lanh khí nén đảm bảo lực nhấn ổn định, hành trình chuẩn xác và không bị suy giảm lực do hiện tượng quá nhiệt khi làm việc trong thời gian dài.

3. Kích thước khung tranh và bề mặt làm việc mà robot có thể vẽ được là bao nhiêu?

Theo giới hạn kỹ thuật được xác định trong đề tài, robot có hành trình làm việc để vẽ các bức tranh với kích thước tối đa là 800 x 400 mm và chỉ vận hành trên các bề mặt tường phẳng (như tường trát xi măng phẳng hoặc vách gỗ phẳng).

4. Quy trình chuyển đổi một bức ảnh mẫu sang chuyển động vẽ của robot được thực hiện như thế nào?

Quy trình gồm 4 bước: Ảnh mẫu ban đầu được đưa qua phần mềm tách màu để chia tách thành các file ảnh đơn sắc riêng biệt; sau đó các file này được nạp vào phần mềm Inkscape để vector hóa và chuyển đổi thành tập lệnh G-code; tệp G-code được tải vào phần mềm Mach3Mill; cuối cùng bo mạch Mach3 USB sẽ biên dịch G-code thành các chuỗi xung điều khiển động cơ bước 3 trục và tín hiệu kích van khí nén.

5. Hệ thống truyền động cơ khí trên 3 trục X, Y, Z của robot được thiết kế bằng những cơ cấu nào?

Trục X sử dụng hệ thống truyền động kết hợp khớp nối mềm để truyền mô-men từ động cơ; trục Y sử dụng hệ thống truyền động puli – đai răng nhằm đáp ứng tốc độ và chuyển động dọc êm ái; trục Z sử dụng cơ cấu truyền động vít me – đai ốc để tịnh tiến đầu phun vào - ra chính xác so với mặt tường.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, phát triển robot vẽ hình trên tường" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã hoàn thành việc thiết kế, chế tạo và thử nghiệm một hệ thống cơ điện tử 3 trục CNC hoàn chỉnh phục vụ tự động hóa hội họa trên tường phẳng. Thiết bị kết hợp giữa khung cơ khí gantry, mạch điều khiển Mach3 USB và cơ cấu chấp hành dập cò bút Airbrush bằng xi lanh khí nén, cho phép vẽ các bức tranh trong khổ 800 x 400 mm bằng sơn Lacquer gốc xăng. Dù còn giới hạn về kích thước khung làm việc và chỉ vẽ được trên bề mặt phẳng, công trình đã chứng minh tính khả thi thực nghiệm cao và cung cấp cơ sở kỹ thuật giá trị cho các nghiên cứu mở rộng tích hợp thị giác máy tính trong tương lai.