Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu hướng phát triển của không gian sống hiện đại, nội thất thông minh không chỉ đáp ứng công năng sử dụng thuần túy mà còn hướng đến việc nâng cao trải nghiệm thị giác và cải thiện sức khỏe tinh thần cho người sử dụng. Bối cảnh thực tế cho thấy, áp lực công việc, nhịp sống đô thị gấp gáp cùng với những hệ quả tâm lý sau giai đoạn cách ly y tế của đại dịch COVID-19 đã làm gia tăng tình trạng căng thẳng thần kinh khi con người phải ở trong không gian khép kín kéo dài. Đồng thời, sự lệ thuộc quá mức vào các thiết bị di động thông minh và mạng xã hội đặt ra nhu cầu về các sản phẩm nội thất có tính tương tác nghệ thuật tĩnh tâm, giúp người dùng sống chậm lại và thư giãn tại chỗ. Ý tưởng kết hợp nghệ thuật động (kinetic art) với cơ cấu chuyển động cơ khí để tạo ra các hoa văn biến đổi liên tục trên cát đã hình thành từ nhu cầu thực tiễn này.

Trên thế giới, các sản phẩm bàn vẽ cát động học (tiêu biểu như bàn Sisyphus do nghệ sĩ Bruce Shapiro phát triển và thương mại hóa qua công ty Sisyphus Industries LLC) đã thu hút sự chú ý lớn trong giai đoạn 2015–2021. Tuy nhiên, các dòng sản phẩm này có giá thành rất cao, chi phí vận chuyển quốc tế tốn kém và nguồn cung hạn chế. Tại Việt Nam, thị trường nội địa hầu như chưa có đơn vị nghiên cứu và chế tạo bài bản nhằm thương mại hóa sản phẩm với mức giá phù hợp với thu nhập của người tiêu dùng, phần lớn dừng lại ở các thử nghiệm tự phát hoặc phụ thuộc hoàn toàn vào các bo mạch điều khiển máy in 3D/CNC thương mại có sẵn. Nhận thấy tính cấp thiết đó, đề tài "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bàn vẽ hoa văn trên cát" (Mã số đề tài: 22223DT122) được thực hiện nhằm làm chủ thiết kế cơ khí, mạch điều khiển và phần mềm tương tác cho một sản phẩm hoàn chỉnh.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được tác giả xác định cụ thể qua các nhiệm vụ sau:

  1. Nghiên cứu và lựa chọn phương án thiết kế hệ thống tổng thể.
  2. Xây dựng bản vẽ thiết kế 2D và mô hình không gian 3D của các cụm chi tiết cơ khí.
  3. Gia công, chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh mô hình cơ khí của bàn.
  4. Thiết kế, thi công mạch điều khiển điện tử và lập trình giao diện tương tác người dùng qua web.
  5. Thử nghiệm thực tế, đánh giá sai số, tối ưu hóa cơ cấu cơ khí và chương trình điều khiển.
  6. Hoàn thiện báo cáo kỹ thuật và hồ sơ nghiệm thu đồ án tốt nghiệp.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là mô hình bàn vẽ hoa văn trên cát 2 trục tự động, sử dụng lực hút từ tính của nam châm để dẫn động viên bi thép lăn trên lớp cát phẳng, được điều khiển bởi hệ thống vi điều khiển kép gồm ESP32 và Arduino Mega 2560 kết hợp mạch công suất driver TB6600.

Phạm vi nghiên cứu được giới hạn ở các khía cạnh:

  • Về cơ khí: Thiết kế bàn tròn dạng hai tầng (chiều cao tổng thể từ 600 mm đến 800 mm; khay chứa cát bằng gỗ ép đường kính 800 mm; mặt kính bảo vệ đường kính 1000 mm). Chiều dày lớp cát tạo hình được khống chế ở mức xấp xỉ 2 mm.
  • Về chuyển động: Quỹ đạo tạo hình phẳng 2D trong không gian làm việc của cơ cấu Cartesian 2 trục X-Y đặt ở khoang đáy.
  • Về điều khiển và phần mềm: Chuyển đổi mã lệnh G-code sang cấu trúc JSON thông qua ngôn ngữ C, tích hợp thuật toán xử lý ảnh Canny trong OpenCV và xây dựng máy chủ web nội bộ trên Apache để nhận lệnh từ người dùng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài kết hợp giữa lý thuyết cơ học, động lực học máy, công nghệ điều khiển số CNC và thị giác máy tính:

  • Lý thuyết cơ học và truyền động: Ứng dụng các phương trình cân bằng tĩnh, phân tích ma sát, tải trọng và quán tính để tính toán chọn bộ truyền vít me – đai ốc (khảo sát vít me trượt ren thang 30 độ, ren vuông và vít me bi với hiệu suất truyền động đạt 90–95%), bộ truyền đai răng và kết cấu dẫn hướng bằng nhôm định hình.
  • Lý thuyết hệ chuyển động phẳng: Khảo sát và đánh giá ba hệ tọa độ chuyển động chính gồm hệ Cartesian (Đề-các hai trục vuông góc X-Y), hệ Polar (hệ tọa độ cực R - theta) và hệ SCADA (tay máy hai bậc tự do) nhằm tìm kiếm phương án tối ưu giữa độ phức tạp tính toán và độ cứng vững kết cấu.
  • Lý thuyết điều khiển động cơ bước: Cấu tạo và nguyên lý vận hành của động cơ bước nam châm vĩnh cửu, động cơ biến từ trở, động cơ lai (hỗn hợp) và động cơ bước 2 pha. Các phương pháp kích từ được xem xét bao gồm: điều khiển dạng sóng (Wave), điều khiển bước đủ (Full step), điều khiển nửa bước (Half step) và điều khiển vi bước (Microstep) nhằm giảm dao động cộng hưởng và tăng độ êm ái khi vận hành.
  • Ngôn ngữ G-code và thuật toán nội suy: Ứng dụng chuẩn mã lệnh máy công cụ điều khiển số, trọng tâm là các lệnh chuyển động cơ bản gồm G00 (chạy nhanh không tải), G01 (nội suy đường thẳng theo tốc độ đặt), G02 (nội suy cung tròn theo chiều kim đồng hồ) và G03 (nội suy cung tròn ngược chiều kim đồng hồ).
  • Thị giác máy tính và xử lý ảnh: Ứng dụng thư viện OpenCV và thuật toán lọc biên Canny (Canny Filter) gồm quy trình 7 bước tiêu chuẩn để chuyển đổi ảnh chụp bất kỳ thành các đường nét nhị phân phục vụ xuất mã G-code.
  • Hệ thống mạng và truyền thông: Ứng dụng giao thức truyền thông nối tiếp I2C giữa các vi mạch; máy chủ dịch vụ web Apache và hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL để quản lý dữ liệu người dùng và hàng đợi lệnh vẽ.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai qua các bước:

  • Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Đối chiếu các tài liệu trong và ngoài nước về máy CNC, cơ điện tử và nghệ thuật động lực học để lựa chọn cấu hình hệ thống.
  • Phương pháp tính toán cơ khí và mô phỏng: Tính toán khoảng cách trục, mô men cản, công suất động cơ theo giáo trình chi tiết máy; thiết kế mô hình 3D trên phần mềm SolidWorks và AutoCAD để kiểm tra va chạm động học trước khi chế tạo.
  • Phương pháp thực nghiệm đo đạc: Lắp ráp mô hình thực tế, đo đạc thời gian thực thi, quan sát độ ổn định quỹ đạo của viên bi sắt qua các lần cải tiến cơ cấu và thử nghiệm với các điều kiện tải trọng khác nhau (chạy không tải, chạy có bi sắt, chạy có bi sắt và cát).

Nguồn dữ liệu sử dụng trong nghiên cứu bao gồm: Sách hướng dẫn thiết kế chi tiết máy của GS. TS. Trịnh Chất; tài liệu kỹ thuật (datasheet) của các linh kiện vi điều khiển Arduino Mega 2560, ESP32-WROOM-32, driver TB6600, động cơ bước hai pha; tài liệu tra cứu thư viện phần mềm OpenCV và chuẩn giao tiếp I2C.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống bàn vẽ hoa văn trên cát được thiết kế tích hợp liên ngành giữa kết cấu cơ khí chính xác, mạch điện tử công suất và phần mềm điều khiển đa nền tảng:

[Người dùng tương tác qua Web]
         (Mạng Wi-Fi)
      [Máy chủ Web Apache]
      (Cơ sở dữ liệu MySQL)
       (Chuỗi dữ liệu JSON)
       [Vi điều khiển ESP32]
     (Giao tiếp phần cứng / Bus)
   [Vi điều khiển Arduino Mega 2560]
         (Xung PULSE / DIR)
      [Mạch Driver TB6600]
          (Dòng điện pha)
   [Động cơ bước 2 pha Trục X, Y]
   (Bộ truyền vít me - đai ốc & ray dẫn)
  [Cụm đầu công tác mang nam châm]
       (Lực hút từ trường)
  [Viên bi thép tạo rãnh trên lớp cát]

1. Kiến trúc cơ khí

Cấu trúc bàn được chia làm hai khoang chức năng riêng biệt:

  • Khoang trên: Khay tròn bằng gỗ ép đường kính 800 mm chứa lớp cát thạch anh mịn dày 2 mm. Phía trên khay được đậy kín bằng tấm kính cường lực trong suốt đường kính 1000 mm, giúp người dùng quan sát toàn bộ quá trình vẽ đồng thời sử dụng như một mặt bàn sinh hoạt thông thường.
  • Khoang đáy: Chứa khung chịu lực được ghép nối từ các thanh nhôm định hình bằng bát ke góc chìm, con tán xoay chữ T và bu lông lục giác chìm. Cụm truyền động 2 trục Cartesian X-Y được bố trí trong khoang này. Trục X và trục Y sử dụng các bộ truyền vít me – đai ốc kết hợp gối đỡ trục vít me chuyên dụng để chuyển đổi chuyển động quay của động cơ bước thành chuyển động tịnh tiến. Cụm đầu công tác di chuyển ở tầng dưới mang khối nam châm vĩnh cửu có lực từ mạnh, liên kết từ trường xuyên qua mặt gỗ ép để kéo viên bi thép ở mặt trên khay cát di chuyển đồng bộ.

2. Hệ thống điện và điều khiển

Phần điện được thiết kế theo cấu trúc phân tầng:

  • Khối xử lý trung gian: Sử dụng mạch vi điều khiển ESP32 chịu trách nhiệm thu nhận dữ liệu hình ảnh hoặc chuỗi tọa độ JSON từ giao diện web thông qua kết nối Wi-Fi, sau đó đóng gói và chuyển giao dữ liệu sang bộ điều khiển chấp hành.
  • Khối điều khiển chấp hành: Sử dụng mạch Arduino Mega 2560. Bo mạch này tiếp nhận tọa độ đích, thực hiện thuật toán nội suy đường thẳng (G01) hoặc cung tròn (G02, G03), tính toán thời gian trễ giữa các xung và xuất các tín hiệu xung (PUL/DIR) tới hai bộ điều khiển động cơ bước TB6600.
  • Khối công suất: Mạch driver TB6600 tiếp nhận xung logic từ Arduino, cấp dòng điện động lực cho hai động cơ bước lưỡng cực hai pha kéo trục X và trục Y, cấu hình ở chế độ vi bước để đảm bảo chuyển động không bị rung giật.

3. Phần mềm và giải thuật xử lý dữ liệu

Phần mềm của hệ thống giải quyết trọn vẹn quy trình từ file thiết kế đến chuyển động thực tế:

  • Bóc tách mã G-code sang JSON: Nhóm tác giả xây dựng chương trình bằng ngôn ngữ C để đọc các câu lệnh trong tệp G-code tiêu chuẩn, áp dụng giải thuật nội suy tuyến tính để tính toán tọa độ chi tiết của các điểm trung gian trên quỹ đạo, lưu tọa độ (X, Y) vào tệp .txt và tự động chuyển đổi cấu trúc sang tệp JSON. Tệp JSON này có kích thước nhẹ, cấu trúc tường minh, cho phép truyền tải mượt mà qua mạng không dây.
  • Thuật toán xử lý ảnh tự động (OpenCV): Khi người dùng tải ảnh tùy ý lên web, chương trình kích hoạt thuật toán Canny Filter gồm 7 bước:
    1. Grayscale Conversion: Chuyển đổi ảnh gốc sang ảnh mức xám.
    2. Gaussian Blur: Áp dụng bộ lọc Gauss để loại bỏ nhiễu hạt.
    3. Determine Intensity Gradients: Dùng 2 mặt nạ tích chập kernel $G_x$ và $G_y$ tính toán độ lớn gradient $G = \sqrt{G_x^2 + G_y^2}$ và hướng biến thiên độ sáng.
    4. Non-Maximum Suppression: Khử các điểm không phải cực đại cục bộ, làm mỏng đường biên về độ dày 1 pixel.
    5. Double Thresholding: Thiết lập hai ngưỡng độ lớn (thresh 1 và thresh 2) để phân loại biên mạnh, biên yếu và loại bỏ điểm biên giả.
    6. Edge Tracking by Hysteresis: Giữ lại các biên yếu nếu chúng liên kết trực tiếp với biên mạnh, loại bỏ biên cô lập.
    7. Cleaning Up: Xuất ảnh nhị phân hoàn chỉnh chỉ chứa các đường viền đơn, sau đó dùng thuật toán véc-tơ hóa chuyển sang mã G-code.
  • Giao diện web: Triển khai trên máy chủ Apache với ba chế độ điều khiển:
    • Chế độ tự động (Auto Mode): Người dùng chọn các hoa văn có sẵn trong cơ sở dữ liệu.
    • Chế độ tải ảnh (Upload Mode): Người dùng tải ảnh cá nhân từ điện thoại hoặc máy tính, hệ thống tự động bóc tách nét vẽ.
    • Chế độ vẽ tay (Manual Mode): Người dùng tương tác trực tiếp trên màn hình cảm ứng để điều khiển hướng di chuyển của viên bi theo thời gian thực.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ nhu cầu nội thất thông minh kết hợp giải trí, tĩnh tâm trong bối cảnh cuộc sống bận rộn và thời kỳ hậu dịch bệnh COVID-19. Tác giả nêu rõ ý nghĩa khoa học trong việc vận dụng các nguyên lý động lực học máy vào thực tiễn và ý nghĩa xã hội trong việc tạo ra sản phẩm trang trí nội thất thẩm mỹ. Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu (giới hạn ở mô hình bàn tròn 2 tầng điều khiển qua Arduino Mega, ESP32 và driver TB6600) cùng 6 phương pháp tiếp cận cụ thể và kết cấu 6 chương của khóa luận được xác định rõ ràng.

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài

Chương 2 tổng kết các xu hướng công nghệ nội thất thông minh tích hợp kết nối vạn vật (IoT). Tác giả phân tích lịch sử ra đời của dòng bàn nghệ thuật động học "The Kinetic Art Table" do Bruce Shapiro phát minh gắn liền với thần thoại Sisyphus và hoạt động của công ty Sisyphus Industries LLC. Chương này đánh giá thực trạng nghiên cứu trong nước, chỉ ra rằng các sản phẩm hiện có chủ yếu mang tính tự phát, giá thành sản phẩm quốc tế quá đắt đỏ và các đề tài khóa trước vẫn còn phụ thuộc hoàn toàn vào bo mạch máy in 3D thương mại. Từ đó, nhóm xác định hướng nghiên cứu mới: tự xây dựng phần mềm phân giải G-code sang JSON bằng C và tích hợp thư viện OpenCV để xử lý ảnh tự động.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Chương 3 thiết lập nền tảng lý thuyết cho toàn bộ đồ án, bao gồm:

  • Nguyên lý hoạt động của bàn vẽ hoa văn trên cát thông qua chuyển động của viên bi dưới tác dụng của nam châm.
  • Cú pháp mã lệnh G-code (G00, G01, G02, G03).
  • Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các loại động cơ bước (nam châm vĩnh cửu, biến từ trở, lai hỗn hợp, hai pha) cùng 4 phương pháp điều khiển kích từ (Wave, Full step, Half step, Microstep).
  • So sánh ưu nhược điểm của ba hệ chuyển động phẳng: hệ Cartesian, hệ Polar và hệ SCADA.
  • Cơ cấu truyền động vít me – đai ốc (vít me trượt ren thang 30 độ, ren vuông, vít me bi hiệu suất 90–95%) và bộ truyền đai.
  • Thuật toán nội suy tuyến tính và nội suy cung tròn trong điều khiển số.
  • Quy trình 7 bước lọc biên Canny sử dụng thư viện OpenCV.
  • Lý thuyết giao thức truyền thông nối tiếp I2C, cấu trúc máy chủ web Apache và hệ cơ sở dữ liệu MySQL.

Chương 4: Phương hướng và các giải pháp thiết kế

Chương 4 xác định các yêu cầu kỹ thuật chi tiết của hệ thống về tính thẩm mỹ, độ bền cơ học và tính ổn định của mạch điều khiển. Tác giả phân tích sơ đồ khối hoạt động toàn hệ thống, trình bày các phương án kết cấu khả dĩ và đưa ra luận cứ lựa chọn phương án cơ cấu Cartesian 2 trục chuyển động tịnh tiến sử dụng khung nhôm định hình kết hợp bộ truyền vít me – đai ốc. Quy trình trình tự các bước tiến hành từ khâu mô phỏng, tính toán cơ khí, thi công mạch đến viết giải thuật điều khiển được sơ đồ hóa cụ thể.

Chương 5: Tính toán thiết kế cơ khí

Chương 5 là nội dung trọng tâm về mặt kỹ thuật, chia thành các phần:

  • Thiết kế kết cấu cơ khí mới thay thế cho cơ cấu cũ chưa tối ưu, bao gồm khung máy bằng nhôm định hình, cụm cơ khí trục X, cụm cơ khí trục Y và các chi tiết định vị (bát ke góc chìm nhôm, con đai ốc xoay chữ T, vít cấy lục giác chìm).
  • Tính toán truyền động vít me – đai ốc cho hai trục X và Y dựa trên thông số tải trọng, mô-đun và bảng tra kích thước chi tiết máy.
  • Tính toán kiểm tra và lựa chọn động cơ bước dựa trên mô men tải và biểu đồ đặc tính mô men – tốc độ.
  • Thiết kế hệ thống điều khiển: Lập sơ đồ khối liên kết, sơ đồ đấu nối chân giữa Arduino Mega 2560, ESP32-WROOM và driver TB6600.
  • Xây dựng lưu đồ giải thuật bóc tách file G-code sang Json, giải thuật xử lý ảnh đầu vào và lập trình giao diện trang web điều khiển với 3 chế độ (Auto, Upload, Manual).

Chương 6: Chế tạo thực nghiệm và đánh giá

Chương 6 trình bày kết quả gia công, lắp ráp hoàn chỉnh mô hình thực tế. Tác giả ghi nhận quá trình thực nghiệm và cải tiến cơ cấu qua hai giai đoạn (lần 1 và lần 2) để xử lý hiện tượng kẹt cơ khí và mất bước. Chương này công bố kết quả thực nghiệm vẽ hoa văn mẫu (hình bông hoa) trong 3 trường hợp: chỉ có bi sắt, chạy không tải và có đầy đủ bi lẫn cát. Đồng thời, các bước kết nối máy chủ qua địa chỉ IP nội bộ, đo đạc thời gian vẽ và phân tích độ chính xác của đường nét được tổng hợp chi tiết.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành toàn bộ các mục tiêu thiết kế và chế tạo, đưa ra được các kết quả kỹ thuật và số liệu thực nghiệm định lượng rõ ràng:

  • Chế tạo thành công mô hình bàn vẽ hoa văn trên cát với kích thước thực tế: mặt bàn kính cường lực đường kính 1000 mm, khay gỗ chứa cát đường kính 800 mm, chiều cao bàn 600–800 mm, cơ cấu vận hành ổn định dưới lớp cát dày 2 mm.
  • Khảo sát thực nghiệm vẽ hoa văn hình bông hoa qua 3 điều kiện vận hành cụ thể được tổng hợp trong bảng số liệu sau:
Điều kiện thực nghiệm Hiện tượng và thông số ghi nhận Đánh giá độ ổn định
Vẽ hoa văn khi chưa có tải (không gắn bi, không đổ cát) Cơ cấu trục X, Y di chuyển mượt mà, đúng tọa độ nội suy, động cơ bước không bị mất bước hay quá nhiệt. Hệ thống cơ khí và phát xung đạt độ chuẩn xác hình học tối đa.
Vẽ hoa văn chỉ có bi (đặt viên bi sắt trên bề mặt khay gỗ ép, chưa đổ cát) Nam châm vĩnh cửu giữ chặt viên bi qua lớp gỗ, bi lăn bám sát theo chuyển động của đầu công tác ở mọi góc cua. Lực từ trường đủ mạnh, khoảng cách từ tính giữa nam châm và bi được duy trì liên tục.
Vẽ hoa văn khi có cả bi lẫn cát (lớp cát dày 2 mm phủ kín khay) Viên bi rẽ cát tạo rãnh hoa văn bông hoa rõ nét, biên dạng cánh hoa cân đối, không xuất hiện hiện tượng rơi bi hay vấp hạt cát. Hệ thống hoạt động tin cậy, lực kéo thắng được ma sát cản của lớp cát.

Các giải pháp và đóng góp kỹ thuật do tác giả tự nêu:

  • Khắc phục sự phụ thuộc vào phần cứng thương mại: Khác với các nghiên cứu trước đây vốn phải sử dụng các bo mạch chuyên dụng của máy in 3D hoặc máy CNC, đồ án đã tự xây dựng chương trình bằng ngôn ngữ C để nội suy các điểm chuyển động từ lệnh G-code sang tọa độ văn bản .txt rồi chuyển đổi sang tệp JSON. Cấu trúc này giúp giảm tải bộ nhớ cho vi điều khiển và tăng tính linh hoạt khi truyền dữ liệu qua giao diện web.
  • Tự động hóa khâu xử lý ảnh: Tích hợp thành công thuật toán Canny 7 bước thông qua thư viện OpenCV, cho phép người dùng chỉ cần đăng tải một tấm ảnh tĩnh lên trang web là hệ thống có thể tự động bóc tách đường biên và tạo mã điều khiển vẽ trực tiếp trên cát.
  • Nâng cao tính thẩm mỹ và tiện dụng: Sản phẩm hoàn thiện có kiểu dáng nội thất hiện đại, giấu kín toàn bộ phần cơ điện trong gầm bàn, vừa đáp ứng chức năng giải trí tĩnh tâm vừa đóng vai trò như một bàn trà trong gia đình.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

  • Do thời gian thực hiện đồ án có hạn, hệ thống điều khiển vẫn phải sử dụng kết hợp hai khối vi điều khiển riêng biệt (Arduino Mega 2560 để phát xung và ESP32 để xử lý kết nối web) kết nối dây ngoài, chưa tích hợp thành một bo mạch in (PCB) duy nhất.
  • Không gian làm việc hữu ích của cơ cấu Cartesian 2 trục hình chữ nhật chưa bao phủ được toàn bộ diện tích của khay cát hình tròn đường kính 800 mm, dẫn đến còn phần diện tích chết ở rìa bàn.
  • Chưa tích hợp cơ chế tự động bù tốc độ theo độ cong quỹ đạo, khiến thời gian hoàn thành các hoa văn phức tạp có nhiều chi tiết uốn lượn còn kéo dài.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được tác giả đề xuất:

  • Tích hợp thêm các phân hệ giải trí đa phương tiện như hệ thống loa phát nhạc và dải đèn LED trang trí đổi màu theo nhịp điệu chuyển động của viên bi.
  • Nghiên cứu chuyển đổi cơ cấu chấp hành sang hệ tọa độ cực (Polar) với chuyển động quay và tịnh tiến hướng tâm để khai thác tối đa không gian tròn của mặt bàn.
  • Thiết kế mạch in nguyên khối chuyên dụng nhằm thu gọn kích thước khối điều khiển và hoàn thiện vật liệu vỏ bàn bằng gỗ cao cấp để nâng cao giá trị thương mại.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án này mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho các nhóm đối tượng:

  • Sinh viên và học viên ngành Kỹ thuật Cơ Điện tử, Kỹ thuật Cơ khí, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa: Đồ án cung cấp một ví dụ điển hình về việc hiện thực hóa một hệ thống điều khiển số CNC 2 trục từ khâu tính toán lý thuyết vít me, chọn động cơ bước đến gia công cơ khí thực tế bằng nhôm định hình.
  • Người nghiên cứu về tích hợp hệ thống IoT và Robot nghệ thuật: Phần đáng tham khảo nhất là giải thuật phân tích cú pháp G-code sang dữ liệu JSON bằng ngôn ngữ C và quy trình ứng dụng thuật toán Canny Filter (OpenCV) để xử lý ảnh nhị phân đưa vào điều khiển cơ cấu chấp hành.
  • Kỹ sư phát triển sản phẩm nội thất thông minh: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về nguyên lý cơ khí của dòng bàn Kinetic Art Table, cách giấu kín cụm động lực dưới đáy khay và giải pháp kết nối điều khiển không dây qua giao diện web.

Câu hỏi thường gặp

1. Bàn vẽ hoa văn trên cát hoạt động dựa trên nguyên lý vật lý và cơ học nào?
Hệ thống sử dụng một cụm truyền động 2 trục Cartesian X-Y đặt ở khoang đáy bàn, mang theo cụm đầu công tác gắn khối nam châm vĩnh cửu. Khi cụm đầu công tác di chuyển theo quỹ đạo được lập trình sẵn, lực hút từ trường xuyên qua lớp đáy khay chứa bằng gỗ ép sẽ kéo viên bi thép ở mặt trên lăn theo. Chuyển động lăn của viên bi làm rẽ lớp cát thạch anh mịn dày 2 mm, tạo thành các đường rãnh hoa văn nghệ thuật được quan sát qua mặt kính trong suốt.

2. Vì sao nhóm tác giả lựa chọn hệ chuyển động Cartesian thay vì hệ Polar hay SCADA?
Trong Chương 3 và Chương 4, nhóm tác giả đã phân tích và so sánh ba hệ chuyển động. Hệ SCADA đòi hỏi giải bài toán động học ngược phức tạp, trong khi hệ Polar có cấu trúc không gian và thuật toán lập trình phức tạp. Nhóm chọn hệ Cartesian vì cơ cấu cơ khí đơn giản, độ cứng vững và độ ổn định cao, dễ lắp ráp, căn chỉnh, sửa chữa và việc tính toán tọa độ (X, Y) trực quan, tương thích tự nhiên với các lệnh nội suy G-code tiêu chuẩn.

3. Dữ liệu lệnh vẽ được xử lý và truyền tải từ máy tính tới động cơ như thế nào?
Tập tin G-code chứa các lệnh G00, G01, G02, G03 được phần mềm viết bằng C bóc tách và nội suy thành các tọa độ điểm rời rạc lưu trong file .txt, sau đó chuyển thành định dạng JSON. Tệp JSON này được truyền không dây qua mạng Wi-Fi tới vi điều khiển ESP32 từ máy chủ web Apache. Sau đó, ESP32 chuyển giao dữ liệu tọa độ sang Arduino Mega 2560 để vi điều khiển này tính toán thời gian trễ và xuất các xung logic (PULSE/DIRECTION) qua mạch driver TB6600, điều khiển hai động cơ bước kéo các trục vít me.

4. Thư viện OpenCV và thuật toán Canny đóng vai trò gì trong hệ thống?
OpenCV được sử dụng để xây dựng tính năng vẽ tự động từ ảnh người dùng tải lên ở chế độ Upload. Thuật toán Canny Filter thực hiện quy trình 7 bước (chuyển ảnh xám, làm mờ Gauss, tính gradient độ sáng với kernel $G_x$ và $G_y$, triệt tiêu không cực đại, phân ngưỡng kép thresh 1 và thresh 2, khử nhiễu biên và dọn dẹp) để trích xuất các đường viền chính của ảnh thành ảnh nhị phân có độ dày đúng 1 pixel, làm cơ sở để chuyển đổi sang mã G-code cho bàn vẽ.

5. Giao diện trang web của hệ thống cung cấp những chế độ tương tác nào cho người dùng?
Trang web điều khiển được thiết kế với 3 chế độ hoạt động chính:

  • Chế độ vẽ tự động (Auto Mode): Người dùng lựa chọn các mẫu hoa văn có sẵn trong cơ sở dữ liệu hệ thống.
  • Chế độ đăng tải ảnh (Upload Mode): Người dùng tải ảnh cá nhân từ thiết bị lên để hệ thống tự động lọc viền bằng Canny và vẽ lại.
  • Chế độ vẽ tay (Manual Mode): Người dùng có thể điều khiển trực tiếp hướng di chuyển của viên bi trên màn hình tương tác theo thời gian thực.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bàn vẽ hoa văn trên cát" của sinh viên Huỳnh Lê Thuận Phát và Hà Tấn Phát (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh) đã hoàn thành xuất sắc nhiệm vụ nghiên cứu, tính toán và chế tạo thành công một sản phẩm nội thất thông minh tích hợp công nghệ cơ điện tử. Hệ thống vận hành ổn định trên nền tảng cơ cấu cơ khí 2 trục Cartesian, động cơ bước điều khiển vi bước qua driver TB6600 và hệ thống vi điều khiển kép Arduino Mega 2560 kết hợp ESP32. Điểm nổi bật của công trình là việc tự chủ hoàn toàn giải thuật chuyển đổi mã lệnh G-code sang cấu trúc JSON bằng ngôn ngữ C và tích hợp thư viện OpenCV để xử lý ảnh tự động qua giao diện web. Kết quả thử nghiệm thực tế khẳng định viên bi chuyển động mượt mà, tạo hình hoa văn sắc nét trên cát, mở ra tiềm năng ứng dụng thực tiễn cao trong lĩnh vực trang trí nội thất và giải trí tĩnh tâm.