Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam với dân số khoảng 100 triệu người đang đối mặt với nhu cầu nhà ở ngày càng tăng cao, đặc biệt là các công trình nhà cao tầng sử dụng kính làm vật liệu chính cho mặt dựng. Việc vệ sinh kính nhà cao tầng hiện nay chủ yếu dựa vào nhân công trực tiếp, gây ra nhiều khó khăn về an toàn lao động và hiệu quả công việc thấp. Theo ước tính, công việc lau kính nhà cao tầng được xếp vào nhóm công việc nguy hiểm nhất, đòi hỏi giải pháp tự động hóa để nâng cao năng suất và đảm bảo an toàn cho người lao động.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế và chế tạo mô hình thí nghiệm robot lau kính có kích thước ô cửa kính 1500 mm x 2000 mm, nhằm giải quyết các vấn đề về hiệu quả làm sạch và an toàn lao động trong vệ sinh kính nhà cao tầng. Nghiên cứu tập trung vào việc phân tích cấu trúc robot, lựa chọn cơ cấu vận hành, thiết kế hệ thống giác hút chân không, lắp ráp và thử nghiệm mô hình robot, đồng thời phát triển các giải pháp điều khiển và vận hành phù hợp.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 12 năm 2021 tại Trường Đại học Bách Khoa, TP. Hồ Chí Minh. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng công nghệ robot vào lĩnh vực vệ sinh công nghiệp, góp phần nâng cao hiệu quả lao động, giảm thiểu rủi ro tai nạn và thúc đẩy phát triển công nghiệp tự động hóa tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết về cơ cấu vận hành robot và nguyên lý giác hút chân không.

  1. Lý thuyết cơ cấu vận hành robot: Nghiên cứu các loại cơ cấu chuyển động như bánh xe, bánh xích, khớp chân và hệ thống xy-lanh khí nén, xy-lanh thủy lực. Các khái niệm chính bao gồm: cơ cấu bám dính, cơ cấu di chuyển, hệ thống điều khiển chuyển động và mô-men xoắn.

  2. Nguyên lý giác hút chân không: Tập trung vào hai loại bám dính chân không chủ động và thụ động, phân tích lực hút, áp suất khí và tính toán lực bám dính cần thiết để robot có thể bám chắc trên mặt kính. Các khái niệm chính gồm: áp suất chân không, lực hút, van Venturi, và mô phỏng dòng khí bằng phần mềm Solidworks Flow Simulation.

Ngoài ra, nghiên cứu còn tham khảo các mô hình robot lau kính hiện đại trên thế giới, các bằng sáng chế về robot bám dính và di chuyển trên mặt kính, cũng như các phương pháp làm sạch khô và ướt.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm tài liệu khoa học, bài báo quốc tế, các bằng sáng chế liên quan đến robot lau kính, và dữ liệu thực nghiệm thu thập trong quá trình thiết kế, lắp ráp và thử nghiệm mô hình robot tại phòng thí nghiệm.

Phương pháp phân tích gồm:

  • Phân tích cấu trúc robot và lựa chọn cơ cấu vận hành phù hợp dựa trên ma trận đánh giá các tiêu chí kỹ thuật như lực bám dính, kích thước, tiếng ồn, chi phí và tính linh hoạt.
  • Mô phỏng lực hút chân không và dòng khí bằng phần mềm Solidworks để tối ưu thiết kế giác hút.
  • Thực nghiệm đo lực hút, áp suất và kiểm tra khả năng bám dính trên các bề mặt kính phẳng và nghiêng.
  • Thử nghiệm vận hành robot trên mô hình kính kích thước 1500 mm x 2000 mm với tốc độ làm sạch khoảng 3 m²/phút.

Cỡ mẫu thử nghiệm là một mô hình thí nghiệm robot lau kính được chế tạo hoàn chỉnh, sử dụng phương pháp chọn mẫu theo tiêu chí kỹ thuật và khả năng vận hành thực tế. Timeline nghiên cứu kéo dài 10 tháng, từ tháng 2 đến tháng 12 năm 2021, bao gồm các giai đoạn: khảo sát tài liệu, thiết kế, mô phỏng, chế tạo, thử nghiệm và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế cơ cấu bám dính và vận hành: Robot sử dụng hệ thống giác hút chân không chủ động với 8 giác hút chia làm 2 cụm, mỗi cụm gồm 4 van điều khiển. Áp suất khí nén cung cấp ổn định ở mức 0,4 MPa giúp robot bám chắc trên mặt kính. Thử nghiệm cho thấy lực hút trung bình đạt khoảng 22 N trên mỗi giác hút, đảm bảo an toàn khi robot di chuyển trên kính.

  2. Cơ cấu di chuyển: Robot sử dụng bánh xe cao su và bánh xe Mecanum giúp di chuyển linh hoạt trên mặt kính phẳng và nghiêng. Tốc độ làm sạch đạt khoảng 3 m²/phút, phù hợp với yêu cầu vệ sinh thực tế. So sánh với các loại cơ cấu khác như bánh xích và khớp chân, bánh xe Mecanum được đánh giá cao về tính linh hoạt và dễ dàng tích hợp hệ thống điều khiển.

  3. Hệ thống điều khiển và truyền động: Sử dụng xy-lanh khí nén và servo motor cho các chuyển động chính, đảm bảo độ chính xác cao và mô-men xoắn đủ lớn để robot vận hành ổn định. Mô phỏng và thực nghiệm cho thấy hệ thống điều khiển đáp ứng tốt các yêu cầu về tốc độ và lực vận hành.

  4. Hiệu quả làm sạch: Robot được trang bị hệ thống làm sạch ướt và khô gồm roller chà, foam và béc phun dung dịch vệ sinh. Thử nghiệm trên mô hình kính 1500 mm x 2000 mm cho thấy robot có khả năng làm sạch hiệu quả, giảm thiểu thời gian và công sức so với phương pháp thủ công.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân thành công của mô hình robot lau kính là do sự kết hợp tối ưu giữa cơ cấu bám dính chân không chủ động và hệ thống di chuyển bánh xe Mecanum, giúp robot vận hành ổn định trên bề mặt kính phẳng và nghiêng. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về robot lau kính sử dụng giác hút chân không và bánh xe đa hướng.

So với các nghiên cứu trước đây, mô hình này có ưu điểm về kích thước nhỏ gọn, chi phí chế tạo thấp và dễ dàng lắp ráp, vận hành. Việc sử dụng phần mềm mô phỏng Solidworks giúp tối ưu hóa thiết kế giác hút, giảm thiểu rò rỉ khí và tăng hiệu quả lực hút.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ lực hút từng giác hút, bảng so sánh các cơ cấu di chuyển về tốc độ và độ linh hoạt, cũng như biểu đồ hiệu quả làm sạch theo thời gian vận hành. Những kết quả này khẳng định tính khả thi và hiệu quả của giải pháp robot lau kính trong thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển hệ thống điều khiển tự động hoàn toàn: Áp dụng công nghệ IoT và trí tuệ nhân tạo để robot có thể tự động nhận diện bề mặt kính, lập kế hoạch di chuyển và làm sạch hiệu quả hơn. Mục tiêu nâng cao tốc độ làm sạch lên 5 m²/phút trong vòng 2 năm tới. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

  2. Tối ưu hóa thiết kế cơ cấu bám dính: Nghiên cứu và ứng dụng các vật liệu mới cho giác hút chân không nhằm tăng lực bám dính và giảm tiêu hao năng lượng. Mục tiêu giảm chi phí vận hành 20% trong 3 năm. Chủ thể thực hiện: các trung tâm nghiên cứu vật liệu và nhà sản xuất robot.

  3. Mở rộng quy mô ứng dụng: Thiết kế các phiên bản robot lau kính phù hợp với các kích thước kính khác nhau và các công trình có cấu trúc phức tạp. Mục tiêu đa dạng hóa sản phẩm trong vòng 1 năm. Chủ thể thực hiện: các công ty sản xuất thiết bị tự động hóa.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo vận hành và bảo trì robot lau kính cho các đơn vị thi công và bảo trì tòa nhà. Mục tiêu nâng cao năng lực nhân lực và phổ biến công nghệ trong 6 tháng. Chủ thể thực hiện: các trường đại học và trung tâm đào tạo kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành cơ khí, tự động hóa: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết kế robot, cơ cấu vận hành và hệ thống giác hút chân không, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới.

  2. Doanh nghiệp sản xuất và phát triển robot công nghiệp: Tham khảo để áp dụng các giải pháp thiết kế, mô phỏng và thử nghiệm robot lau kính, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất.

  3. Các công ty quản lý và bảo trì tòa nhà cao tầng: Hiểu rõ về công nghệ robot lau kính để lựa chọn và triển khai giải pháp tự động hóa trong công tác vệ sinh, đảm bảo an toàn và hiệu quả.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước và các tổ chức đào tạo kỹ thuật: Sử dụng làm tài liệu tham khảo trong việc xây dựng chính sách phát triển công nghiệp tự động hóa và đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao.

Câu hỏi thường gặp

  1. Robot lau kính có thể làm việc trên các loại kính nào?
    Robot được thiết kế để làm việc hiệu quả trên các bề mặt kính phẳng, nhẵn như kính nhà cao tầng, cửa sổ lớn. Với hệ thống giác hút chân không chủ động, robot có thể bám chắc trên kính có độ nhám thấp và bề mặt sạch.

  2. Tốc độ làm sạch của robot là bao nhiêu?
    Mô hình thí nghiệm đạt tốc độ làm sạch khoảng 3 m²/phút trên ô kính kích thước 1500 mm x 2000 mm, giúp giảm đáng kể thời gian so với phương pháp thủ công.

  3. Robot có đảm bảo an toàn khi vận hành trên cao không?
    Việc sử dụng hệ thống giác hút chân không ổn định và cơ cấu di chuyển linh hoạt giúp robot vận hành an toàn trên mặt kính nhà cao tầng, giảm thiểu rủi ro tai nạn cho người lao động.

  4. Chi phí chế tạo robot có cao không?
    Chi phí chế tạo mô hình thí nghiệm được tối ưu để ở mức thấp, phù hợp với khả năng đầu tư của các doanh nghiệp vừa và nhỏ, đồng thời dễ dàng lắp ráp và bảo trì.

  5. Robot có thể hoạt động tự động hoàn toàn không?
    Hiện tại robot được điều khiển bán tự động, tuy nhiên nghiên cứu đề xuất phát triển hệ thống điều khiển tự động hoàn toàn trong tương lai để nâng cao hiệu quả và tính tiện dụng.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình thí nghiệm robot lau kính với kích thước ô kính 1500 mm x 2000 mm, đáp ứng yêu cầu làm sạch và an toàn.
  • Hệ thống giác hút chân không chủ động và cơ cấu di chuyển bánh xe Mecanum được lựa chọn tối ưu, đảm bảo lực bám dính và tính linh hoạt cao.
  • Mô phỏng và thử nghiệm thực tế cho thấy robot vận hành ổn định với tốc độ làm sạch khoảng 3 m²/phút.
  • Luận văn đóng góp giải pháp tự động hóa hiệu quả cho công tác vệ sinh kính nhà cao tầng, giảm thiểu rủi ro và nâng cao năng suất lao động.
  • Đề xuất phát triển hệ thống điều khiển tự động, tối ưu hóa thiết kế và mở rộng ứng dụng trong thời gian tới.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp tiếp tục hoàn thiện, thử nghiệm và ứng dụng robot lau kính trong thực tế, đồng thời đào tạo nhân lực vận hành và bảo trì thiết bị.

Luận văn này là tài liệu tham khảo quý giá cho các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và tổ chức đào tạo trong lĩnh vực tự động hóa và robot công nghiệp.