Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bàn cát động lực nghệ thuật

Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bàn cát động lực nghệ thuật - ĐH SPKT TP.HCM

• Tác giả: Phạm Minh Lộc
• Người hướng dẫn: TS. Trịnh Đức Cường
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ khí
• Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bàn cát động lực nghệ thuật
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về bàn cát động lực nghệ thuật tại ĐH SPKT

Bàn cát động lực nghệ thuật là sự giao thoa độc đáo giữa kỹ thuật cơ khí chính xác và nghệ thuật thị giác. Đề tài nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM tập trung hiện thực hóa sản phẩm tự động hóa trang trí nội thất cao cấp. Thiết bị mô phỏng chuyển động kỳ diệu của viên bi kim loại lăn trên lớp cát mịn. Chuyển động này tạo ra vô số hoa văn hình học tuần hoàn tinh xảo. Cảm hứng cốt lõi bắt nguồn từ sản phẩm bàn nghệ thuật Sisyphus nổi tiếng trên thế giới. Thiết bị bao gồm bốn thành phần căn bản: bề mặt kính bảo vệ, khay cát chứa bi thép, hệ thống chấp hành cơ khí bên dưới và mạch điều khiển điện tử trung tâm. Động cơ bước phối hợp truyền động dây đai kéo cụm nam châm vĩnh cửu di chuyển theo quỹ đạo định sẵn. Lực hút từ trường xuyên qua lớp đáy khay giữ chặt viên bi và định hướng đường lăn mượt mà. Nghiên cứu mang tính ứng dụng thực tiễn cao đối với ngành Công nghệ kỹ thuật Cơ khí. Tác phẩm không chỉ đáp ứng công năng giải trí mà còn đóng vai trò như vật phẩm phong thủy hiện đại trong không gian sống.

1.1. Nguồn gốc cảm hứng từ cơ chế bàn vẽ cát Sisyphus

Ý tưởng chế tạo bắt nguồn từ huyền thoại vua Sisyphus trong thần thoại Hy Lạp cổ đại. Nghệ sĩ Bruce Shapiro đã hiện thực hóa câu chuyện thành cỗ máy vẽ cát tự động đầu tiên trên thế giới. Thiết bị nguyên bản sử dụng nam châm điều hướng bi thép tạo hoa văn liên tục và xóa vết tự nhiên. Đề tài tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy kế thừa ý tưởng sáng tạo này. Nghiên cứu cải tiến kết cấu truyền động nhằm tối ưu hóa chi phí sản xuất trong nước. Dự án mở ra hướng tiếp cận mới cho sản phẩm công nghệ gia dụng tinh xảo. Thiết bị đem lại cảm giác bình yên và tĩnh tại cho người thưởng ngoạn.

1.2. Cấu trúc tổng thể của bàn cát động lực nghệ thuật

Cấu tạo chung của bàn bao gồm ba cụm chi tiết cơ bản hoạt động đồng bộ. Khung bàn làm bằng vật liệu cứng vững chịu tải và chống rung hiệu quả. Bề mặt phía trên được bảo vệ bằng lớp kính cường lực chống bụi bẩn xâm nhập. Khay cát phẳng trải đều lớp cát mịn màu tương phản với viên bi kim loại. Cụm cơ khí truyền động được giấu kín hoàn toàn ở khoang đáy bên dưới. Bộ vi điều khiển nhận lệnh và phân bổ tín hiệu đến các động cơ bước. Toàn bộ thiết kế đảm bảo vẻ thẩm mỹ tinh gọn, hoạt động êm ái và an toàn tuyệt đối cho người sử dụng.

II. Phân tích kỹ thuật chế tạo bàn cát động lực nghệ thuật

Quá trình nghiên cứu và chế tạo bàn cát động lực nghệ thuật đối mặt nhiều thách thức kỹ thuật phức tạp. Vấn đề cốt lõi nằm ở việc duy trì độ chính xác vị trí trong suốt hành trình chuyển động liên tục. Cơ cấu chấp hành cần đạt tốc độ dịch chuyển mượt mà nhưng không phát sinh tiếng ồn cơ khí khó chịu. Tiếng ồn từ động cơ bước và dây curoa dễ làm suy giảm trải nghiệm thư giãn của không gian nội thất. Bên cạnh đó, lực liên kết từ tính giữa cụm nam châm và viên bi chịu ảnh hưởng lớn từ khoảng cách khe hở đáy khay. Nếu khoảng cách quá xa, lực hút yếu khiến bi bị trượt khỏi quỹ đạo khi di chuyển ở tốc độ cao. Ngược lại, lực hút quá mạnh sẽ làm tăng ma sát giữa bi và mặt cát, gây xước bề mặt khay hoặc làm kẹt động cơ. Ngoài ra, việc lựa chọn loại cát cũng đòi hỏi sự tính toán cẩn trọng về kích thước hạt và độ khô. Hạt cát quá thô sẽ cản trở chuyển động lăn tự do của viên bi thép. Vì vậy, nhóm tác giả đã tiến hành tính toán sức bền, cân bằng động và phân tích ứng suất kỹ lưỡng trước khi gia công chi tiết cơ khí.

2.1. Yêu cầu truyền động êm ái và triệt tiêu rung động

Thiết bị hoạt động trong không gian yên tĩnh của phòng khách hoặc phòng làm việc. Do đó, tiêu chuẩn kiểm soát độ ồn cơ khí được đặt lên hàng đầu. Các rung động từ hệ thống động cơ bước có xu hướng lan truyền qua khung đỡ. Hiện tượng này gây ra hiện tượng cộng hưởng âm thanh làm gợn sóng bề mặt hạt cát. Giải pháp đặt ra là phải tính toán kết cấu khung kim loại có độ cứng vững cao. Việc sử dụng các đệm cao su giảm chấn tại chân đế động cơ là yêu cầu bắt buộc. Cơ cấu căng dây curoa cần được thiết kế chính xác để hạn chế hiện tượng trượt bước và rung lắc ngoài ý muốn.

2.2. Khống chế lực hút từ trường qua lớp vật liệu cách ly

Khoảng cách từ cụm nam châm vĩnh cửu đến viên bi kim loại quyết định độ mượt của nét vẽ. Mặt đáy khay cát phải sử dụng vật liệu phi từ tính như nhôm hoặc tấm nhựa mica dày vừa đủ. Độ dày của tấm đáy cần được tính toán chính xác để tối ưu lực từ. Lực từ quá yếu làm bi thép mất đồng bộ khi xe con đổi hướng đột ngột. Lực từ quá cao lại ép viên bi xuống sát mặt đáy gây mài mòn vật liệu. Kích cỡ và khối lượng viên bi thép cũng cần được chuẩn hóa qua nhiều thực nghiệm đo lực cản ma sát của cát.

III. Giải pháp thiết kế chế tạo bàn cát động lực nghệ thuật

Để giải quyết triệt để các bài toán kỹ thuật, đồ án tại ĐH SPKT TP.HCM lựa chọn cơ cấu truyền động Core XY kết hợp nền tảng điều khiển GRBL. Hệ thống Core XY sở hữu ưu điểm vượt trội với hai động cơ bước cố định trên khung máy. Trọng lượng của cụm đầu vẽ chuyển động giảm đáng kể nhờ loại bỏ động cơ trên trục di động. Thiết kế này giúp tối ưu hóa gia tốc, giảm quán tính và cho phép bi lăn chuyển hướng tức thời rất êm ái. Mạch điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển tích hợp firmware mã nguồn mở GRBL trên nền Arduino. Nền tảng GRBL chịu trách nhiệm biên dịch các tập lệnh G-code hình học phức tạp thành chuỗi xung điều khiển động cơ bước với độ phân giải cao. Tín hiệu xung được gửi qua các mạch điều khiển bước vi bước (microstepping) nhằm triệt tiêu tiếng ồn tần số cao. Dây đai răng GT2 phối hợp với bánh răng nhôm định hình tạo nên hệ truyền động khép kín không độ rơ. Nhờ đó, cụm mang nam châm bên dưới khay cát di chuyển với độ chính xác cao và vẽ nên những bức tranh cát hoàn hảo.

3.1. Ứng dụng cơ cấu Core XY trong truyền động chính xác

Cơ chế Core XY sử dụng hai dây curoa dài bố trí song song đan chéo để dẫn hướng xe con trên mặt phẳng hai chiều. Khi hai động cơ bước quay cùng chiều, cụm nam châm di chuyển theo trục X. Khi hai động cơ quay ngược chiều nhau, cơ cấu dịch chuyển theo trục Y. Chuyển động phối hợp phức tạp giữa hai động cơ tạo nên các đường cong hình học mềm mại tự nhiên. Việc giữ cố định hai động cơ vào khung tĩnh giúp giảm khối lượng quán tính chuyển động tới mức tối thiểu. Cơ cấu này gia tăng đáng kể tuổi thọ cơ khí và hạn chế mài mòn dây curoa qua thời gian vận hành.

3.2. Cấu hình firmware GRBL và ứng dụng điều khiển

Phần mềm nhúng GRBL mã nguồn mở được nạp trực tiếp vào vi điều khiển Arduino đóng vai trò bộ phân giải quỹ đạo. Hệ thống tiếp nhận tập tin G-code thông qua kết nối có dây hoặc mô-đun truyền thông không dây. Giao diện ứng dụng người dùng cho phép tải trước các mẫu hoa văn nghệ thuật hoặc thiết lập thông số vận hành máy. GRBL tự động tính toán quy hoạch quỹ đạo và làm mịn gia tốc theo thuật toán nội suy bước. Nhờ khả năng xử lý xung nhịp ổn định ở tần số cao, hệ thống đáp ứng tức thì các lệnh vẽ phức tạp mà không xảy ra tình trạng giật cục hay mất bước động cơ.

IV. Kết luận và ứng dụng của bàn cát động lực nghệ thuật

Đồ án tốt nghiệp tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã chế tạo thành công mô hình bàn cát động lực nghệ thuật hoàn chỉnh. Sản phẩm thực nghiệm đáp ứng toàn diện các tiêu chí kỹ thuật về độ chính xác chuyển động và tính thẩm mỹ công nghiệp. Bàn vận hành ổn định trong nhiều giờ liên tục mà không xuất hiện lỗi lệch tọa độ hay quá nhiệt động cơ. Các đường nét cát được tạo hình rõ ràng, sắc nét và có độ tương phản thị giác cao. Thành công này khẳng định năng lực ứng dụng kiến thức cơ điện tử của sinh viên kỹ thuật trong việc phát triển sản phẩm thương mại. Trong thực tế đời sống, thiết bị mở ra tiềm năng ứng dụng phong phú tại các không gian sống hiện đại, quán cà phê, phòng thiền và sảnh lễ tân khách sạn. Sản phẩm vừa tạo điểm nhấn nội thất sang trọng vừa mang lại trải nghiệm thư giãn tâm trí sau những giờ lao động căng thẳng. Đề tài đặt nền móng vững chắc cho hướng phát triển các dòng sản phẩm cơ điện tử mỹ nghệ sản xuất nội địa với mức giá cạnh tranh.

4.1. Khả năng ứng dụng thực tế trong trang trí nội thất

Bàn cát động lực nghệ thuật là vật phẩm trang trí công nghệ mang tính tương tác cao cho ngôi nhà hiện đại. Mặt bàn kính cường lực cho phép người dùng đặt đồ dùng sinh hoạt thường ngày mà không ảnh hưởng hoạt động bên dưới. Viên bi chuyển động liên tục tạo cảm giác thiền định, xoa dịu áp lực tinh thần cho người quan sát. Tại các không gian thương mại như sảnh khách sạn hoặc phòng trưng bày, thiết bị thu hút sự chú ý mạnh mẽ của khách ghé thăm. Khách hàng cũng có thể tùy chỉnh hoa văn theo nhận diện thương hiệu hoặc sở thích cá nhân một cách linh hoạt.

4.2. Tiềm năng thương mại hóa và phát triển tính năng mới

Mô hình mở ra cơ hội thương mại hóa sáng giá với chi phí sản xuất thấp hơn nhiều so với sản phẩm nhập ngoại. Các phiên bản tiếp theo có thể tích hợp hệ thống đèn LED RGB viền cạnh đồng bộ theo chuyển động nét vẽ. Sự kết hợp giữa ánh sáng đổi màu và bóng đổ của rãnh cát sẽ tạo hiệu ứng thị giác ba chiều huyền ảo. Ngoài ra, việc bổ sung kết nối Wi-Fi cùng ứng dụng di động cho phép người dùng vẽ hình trực tiếp từ màn hình điện thoại cảm ứng. Hướng nâng cấp này hứa hẹn nâng tầm giá trị thương mại cho sản phẩm cơ điện tử sáng tạo.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Nhu cầu trang trí và nâng cao chất lượng không gian sống của con người ngày càng gia tăng, kéo theo sự thay đổi về thị hiếu đối với các sản phẩm nội thất. Các vật dụng nội thất thông thường như bàn, ghế hiện nay phần lớn vẫn mang hình dáng, cấu trúc cơ bản và ít có sự giao thoa liên ngành. Trong bối cảnh thế kỷ 21, kỹ thuật cơ khí và tự động hóa phát triển mạnh mẽ nhằm giảm thiểu sức lao động và tối ưu hóa vận hành, song việc ứng dụng công nghệ cơ khí – tự động hóa vào các sản phẩm mang tính chất trang trí nội thất nghệ thuật vẫn còn hạn chế. Sự kết hợp giữa các đường nét mềm mại của nghệ thuật thị giác và các cơ cấu cơ khí cứng cáp mở ra một hướng phát triển tiềm năng cho các sản phẩm nội thất thế hệ mới.

Trước thực tiễn đó, đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Cơ khí tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã lựa chọn đề tài "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bàn cát động lực nghệ thuật" do sinh viên Phạm Minh Lộc thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Trịnh Đức Cường. Đồ án tập trung giải quyết bài toán thiết kế cơ khí chính xác kết hợp hệ thống điều khiển số để tạo ra một sản phẩm vừa đáp ứng công năng của một chiếc bàn trà truyền thống, vừa có khả năng tự động tạo hình hoa văn nghệ thuật trên nền cát thông qua chuyển động của viên bi kim loại.

Mục tiêu nghiên cứu tổng quát của đề tài là: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình bàn cát động lực nghệ thuật ứng dụng hệ chuyển động phẳng CoreXY và điều khiển số thông qua mã lệnh G-code.

Các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định bao gồm:

1. Tìm hiểu tổng quan về nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm và ứng dụng của hệ chuyển động CoreXY;
2. Khảo sát các công trình nghiên cứu, các sản phẩm bàn vẽ tranh cát tự động trong và ngoài nước;
3. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, xác lập các mô hình tính toán động học thuận và động học nghịch cho hệ thống;
4. Tính toán sức bền, thiết kế kết cấu cơ khí, kiểm nghiệm các chi tiết chịu lực và lựa chọn động cơ phù hợp;
5. Thiết kế mạch điện điều khiển và phát triển chương trình điều khiển bàn cát trên nền tảng phần mềm mã nguồn mở.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đồ án:

• Đối tượng nghiên cứu: Bàn cát động lực nghệ thuật (kết cấu cơ khí khung nhôm, vỏ gỗ, hệ truyền động đai) và phần mềm điều khiển LaserGRBL trên nền tảng firmware GRBL.
• Phạm vi nghiên cứu:
  • Về không gian và kỹ thuật: Tập trung vào hệ chuyển động phẳng hai chiều (CoreXY), cơ cấu truyền động đai răng GT2, mạch vi điều khiển Arduino UNO R3 kết hợp vi bước A4988, và giải thuật nội suy quỹ đạo cho viên bi từ tính;
  • Về thời gian: Đồ án được triển khai và hoàn thành trong giai đoạn khóa học 2019–2023, nghiệm thu vào tháng 07 năm 2023.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án được xây dựng dựa trên các nguyên lý cơ bản của kỹ thuật cơ điện tử và điều khiển số:

• Nguyên lý động cơ bước: Nghiên cứu cấu tạo stator, rotor của động cơ bước biến từ trở, động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước lai (hybrid). Góc bước của động cơ được xác định qua các công thức:
  • Động cơ biến từ trở: $S = \frac{360^\circ}{N_p \cdot Z}$ (với $N_p$ là số pha, $Z$ là số răng trên rotor);
  • Động cơ nam châm vĩnh cửu: $Z_{đc} = \frac{360^\circ}{Z_s}$ (với $Z_s$ là số răng trên stator);
  • Động cơ bước hỗn hợp: $S = \frac{S_r}{Z_s}$ (với $S_r$ là góc giữa hai răng kề nhau, $Z_s$ là số cặp cực stator). Đồ án khảo sát các chế độ kích từ: điều khiển dạng sóng (Wave Drive), chạy đủ bước (Full Step), nửa bước (Half-Stepping), chạy vi bước (Microstepping), cùng các phương pháp vòng lặp kín (Closed-loop).
• Nguyên lý hệ chuyển động CoreXY: Cơ cấu động học phẳng hai bậc tự do sử dụng hai động cơ bước đặt cố định tại khung để kéo hai vòng đai khép kín qua hệ thống puly và ròng rọc. Chuyển động độc lập hoặc đồng thời của hai động cơ tạo ra các véc-tơ chuyển vị tịnh tiến theo phương X, phương Y hoặc phương chéo, giúp giảm quán tính di động của đầu công tác.
• Thanh trượt dẫn hướng tuyến tính: Cơ sở lý thuyết về độ cứng vững tĩnh, độ chính xác động học, giải pháp bôi trơn và che chắn bụi/hạt cát bảo vệ bề mặt làm việc.
• Phần mềm và firmware mã nguồn mở: Nền tảng GRBL nạp trên vi điều khiển Atmega328P (Arduino UNO) với các thuật toán nội suy đường thẳng (Linear interpolation) và nội suy cung tròn (Circular interpolation) từ mã lệnh G-code.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm sự kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và phương pháp thực nghiệm kỹ thuật:

• Phương pháp lý thuyết: Tổng hợp, phân tích tài liệu kỹ thuật về các hệ tọa độ phẳng (Cartesian, CoreXY, SCARA); phân tích động lực học để tính chọn công suất động cơ, kiểm nghiệm độ bền mỏi và khả năng tải của đai răng GT2; mô phỏng chuyển vị và ứng suất cục bộ trên các chi tiết gá in 3D bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEA) trên phần mềm Autodesk Inventor.
• Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo mẫu thử nghiệm vật lý (gia công khung vỏ gỗ, cắt thanh nhôm định hình 20x20, in 3D các chi tiết kết nối bằng nhựa ABS); lắp ráp hệ thống điện, nạp firmware GRBL, kết nối máy tính qua cổng giao tiếp nối tiếp UART/USB và đo kiểm sai số biên dạng vẽ thực tế trên nền cát.
• Nguồn dữ liệu: Các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn từ nhà sản xuất linh kiện (Arduino, Allegro Microsystems cho chip A4988, linh kiện cơ khí GT2), kết hợp dữ liệu khảo sát từ các đồ án tốt nghiệp tiền nhiệm tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh và mô hình thương mại bàn Sisyphus của nghệ sĩ Bruce Shapiro.

Thiết bị / Linh kiện	Thông số kỹ thuật chính	Vai trò trong hệ thống
Arduino UNO R3	Điện áp hoạt động: 5V DC; Ngõ vào khuyên nghị: 7–12V; 14 chân Digital; 6 chân Analog; Dòng định mức: 120 mA	Mạch vi điều khiển trung tâm xử lý lệnh G-code và điều phối xung nhịp
Driver A4988	Điện áp logic: 3.3V – 5V; Điện áp động cơ: 8V – 35V; Dòng định mức: 2.5A; Bước góc mặc định: 1.8° (200 bước/vòng)	Điều khiển chia dòng, cấp xung vi bước (Microstepping) cho động cơ bước
Module Endstop CNC	Điện áp tối đa: 125V; Dòng tối đa: 1A; Kích thước: 40 x 16 x 7 mm; tích hợp LED và điện trở	Công tắc hành trình xác định gốc tọa độ (Home) cho hai trục X và Y
Động cơ bước Nema 17	Mã: OK17STH147; Góc bước: 1.8°; Kết cấu 2 pha lưỡng cực	Cung cấp mô-men dẫn động cho cơ cấu đai chuyển động hai chiều

---

Thiết kế và triển khai

Hệ thống bàn cát động lực nghệ thuật được thiết kế và triển khai dưới dạng một hệ thống cơ điện tử khép kín, bao gồm ba phân hệ chính: kết cấu cơ khí, mạch điện điều khiển và phần mềm giao tiếp.

1. Kiến trúc cơ khí và động lực học

Kết cấu cơ khí được chia thành hai phần riêng biệt:

• Khung vỏ nội thất: Được gia công từ các tấm ván gỗ ghép cắt gọt chính xác theo kích thước bản vẽ thiết kế. Mặt trên của bàn được trang bị một tấm kính cường lực trong suốt lắp phẳng ngang bằng với mặt khung viền gỗ xung quanh. Ngay bên dưới lớp kính là khay chứa cát động lực mịn và một viên bi kim loại. Thiết kế phẳng ngang này khắc phục nhược điểm mặt kính bị thụt sâu của các phiên bản thử nghiệm trước đó, đảm bảo công năng sử dụng như một bàn trà phòng khách.
• Khung hệ chuyển động CoreXY: Bố trí hoàn toàn ẩn bên dưới khay cát. Bộ khung chịu lực chính sử dụng các thanh nhôm định hình kích thước 20x20 mm liên kết với nhau bằng ke góc vuông. Cụm đầu công tác mang một cụm nam châm vĩnh cửu có lực từ mạnh, chuyển động trượt trên hệ thống thanh trượt dẫn hướng tuyến tính thông qua các con trượt. Hệ thống truyền động sử dụng dây đai răng GT2 bản rộng với bước răng 2 mm, kết hợp cùng puly GT2 20 răng và các ròng rọc dẫn hướng GT2 20 răng. Các chi tiết gá đỡ động cơ, puly góc và gá giữ nam châm được thiết kế riêng trên phần mềm CAD và chế tạo bằng công nghệ in 3D với vật liệu nhựa kỹ thuật Acrylonitrin Butadien Styren (ABS). Độ bền uốn, ứng suất tập trung và độ võng của các chi tiết này được kiểm chứng qua mô phỏng chịu tải trên phần mềm Autodesk Inventor trước khi in thực tế.

2. Thiết kế mạch điện và điều khiển

• Trung tâm điều khiển là bo mạch vi điều khiển Arduino UNO kết hợp trực tiếp với mạch mở rộng Arduino CNC Shield V3.
• Mạch CNC Shield V3 đóng vai trò phân phối tín hiệu điều khiển hướng (Direction) và tín hiệu xung bước (Pulse/Step) đến hai module driver A4988 điều khiển hai động cơ bước Nema 17 OK17STH147 độc lập.
• Hai module công tắc hành trình Module Endstop CNC được gắn tại các giới hạn biên của trục X và trục Y để thực hiện chu trình set gốc máy (Homing Cycle) khi khởi động hệ thống.
• Toàn bộ mạch điện được cấp nguồn từ bộ chuyển đổi nguồn DC công nghiệp phù hợp với dải điện áp động cơ (8V–35V) và dòng điện định mức của driver.

3. Cấu hình phần mềm và thuật toán nội suy

• Firmware điều khiển: Sử dụng firmware mã nguồn mở GRBL phiên bản tương thích với vi điều khiển ATmega328P. Quá trình cấu hình được thực hiện trên môi trường phát triển Arduino IDE (thông qua nạp ví dụ grblUpload). Firmware GRBL được cấu hình lại các thông số xung trên milimét ($step/mm$), gia tốc cực đại và kích hoạt tính năng nội suy CoreXY ($#define\ COREXY$) để chuyển đổi ma trận tọa độ Đề-các ($X, Y$) sang chuyển động góc của hai động cơ bước $A$ và $B$ theo nguyên lý: $$\Delta A = \Delta X + \Delta Y$$ $$\Delta B = \Delta X - \Delta Y$$
• Phần mềm giao diện người dùng: Ứng dụng LaserGRBL cài đặt trên máy tính đóng vai trò là giao diện điều khiển trung tâm (GUI). LaserGRBL đảm nhận việc tải tệp đồ họa, chuyển đổi hình ảnh hoặc véc-tơ thành chuỗi mã lệnh G-code tiêu chuẩn, sau đó truyền trực tiếp các khối lệnh tuần tự qua cổng USB nối tiếp xuống mạch Arduino.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương mở đầu trình bày tính cấp thiết của việc kết hợp nghệ thuật tạo hình vào các cơ cấu cơ khí tự động hóa nhằm đáp ứng nhu cầu nội thất hiện đại. Tác giả phân tích ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài trong việc làm chủ quy trình tính toán động học CoreXY, thiết kế chế tạo hệ thống cơ điện tử nhỏ gọn và xây dựng giao diện điều khiển. Mục tiêu, đối tượng (bàn cát nghệ thuật, phần mềm LaserGRBL), phạm vi kỹ thuật và phương pháp luận kết hợp lý thuyết với thực nghiệm chế tạo cũng được định rõ, kết thúc bằng việc phác thảo bố cục toàn văn gồm 8 chương.

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài

Chương này điểm lại xu thế nội thất thông minh tích hợp công nghệ điều khiển và sự ra đời của bàn vẽ tranh cát tự động từ năm 2015 qua phiên bản bàn "Sisyphus" của nghệ sĩ Bruce Shapiro (chính thức thương mại hóa năm 2017). Tác giả phân tích cấu tạo nguyên mẫu Sisyphus: đường kính 40 inch, dùng động cơ bước hoặc servo không chổi than, mạch điều khiển trung tâm Raspberry Pi 3 chạy NodeJS, giao tiếp Wifi/USB và tiêu thụ công suất 100W – 200W.

Đối với các nghiên cứu trong nước, tác giả phân tích hai đề tài tốt nghiệp tiền nhiệm tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh:

• Đề tài "Thiết kế, chế tạo bàn vẽ tranh cát" của nhóm Trần Lê Trung Hải, Phạm Hữu Kỳ, Nguyễn Luân Vũ;
• Đề tài "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bàn vẽ tranh cát thông minh" (2021) của nhóm Trần Văn Lộc và Lê Xuân Hùng, sử dụng cơ cấu phối hợp 1 động cơ quay đế và 1 động cơ tịnh tiến đầu công tác trên bàn tròn.

Tác giả chỉ ra nhược điểm chung của các nghiên cứu trong nước trước đó là mặt kính bị đặt thấp hơn đáng kể so với khung viền gỗ, gây cản trở khi sử dụng làm bàn trà thông thường và chỉ dừng lại ở mô hình thí nghiệm cá nhân (DIY).

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 3 đi sâu vào các cấu kiện lý thuyết nền tảng:

• Cấu tạo và nguyên lý vận hành của động cơ bước biến từ trở, nam châm vĩnh cửu và động cơ bước hỗn hợp;
• Các phương pháp kích từ: điều khiển dạng sóng, đủ bước, nửa bước và vi bước (Microstepping); các hướng phát triển mạch thông minh và vòng lặp kín (Closed-loop);
• Cơ cấu động học CoreXY: sơ đồ bố trí hai động cơ cố định, nguyên lý truyền động đai chéo, phân tích ưu điểm (tốc độ nhanh, giảm quán tính, độ chính xác cao, nhỏ gọn) và nhược điểm (kết cấu đai phức tạp, chi phí cao, đòi hỏi thuật toán điều khiển đồng bộ);
• Thanh trượt dẫn hướng tuyến tính và yêu cầu kỹ thuật bảo vệ chống bụi;
• Thông số kỹ thuật của Arduino UNO, driver A4988, công tắc hành trình Module Endstop CNC;
• Cấu trúc hệ thống và cách cài đặt thư viện firmware GRBL trên nền tảng Arduino IDE.

Chương 4: Phương hướng và các giải pháp

Tác giả tiến hành phân tích, lập luận lựa chọn các phương án kỹ thuật thông qua các tiêu chí so sánh có hệ thống:

Cụm chức năng	Các phương án xem xét	Phương án được chọn	Cơ sở lý luận lựa chọn
Cơ cấu chuyển động	1. Hệ tọa độ Cartesian 2. Hệ chuyển động CoreXY 3. Robot SCARA	Hệ chuyển động CoreXY	Tối ưu không gian lắp đặt phẳng, hai động cơ đặt tĩnh tại khung giúp giảm khối lượng quán tính di động, độ chính xác lặp lại cao, thẩm mỹ gọn gàng dưới mặt bàn.
Động cơ truyền động	1. Động cơ bước 2. Động cơ Servo 3. Động cơ DC	Động cơ bước	Điều khiển vị trí góc chính xác không cần encoder ngoài, giá thành hợp lý, dễ ghép nối driver vi bước A4988, giữ vị trí tốt khi dừng.
Cơ cấu truyền động	1. Bộ truyền đai răng GT2 2. Vít me – đai ốc 3. Trục vít – bánh vít kết hợp bánh răng	Bộ truyền đai răng GT2	Đảm bảo chuyển động êm dịu, không cần bôi trơn dầu mỡ làm bẩn khay cát, tốc độ di chuyển nhanh, khoảng chạy dài mà không tăng trọng lượng khung.

Chương 5: Tính toán, thiết kế cơ khí

Chương này tập trung vào các bước tính toán và thiết kế kỹ thuật cụ thể:

• Tính toán tải trọng tĩnh và động của hệ thống để lựa chọn động cơ bước Nema 17 OK17STH147;
• Thiết kế bộ truyền đai răng GT2 bước răng 2 mm; tính chọn puly dẫn động 20 răng và các cụm ròng rọc chuyển hướng 20 răng; kiểm nghiệm điều kiện bền kéo đai;
• Thiết kế khung chuyển động bằng thanh nhôm định hình 20x20 mm kết hợp ray trượt tuyến tính;
• Thiết kế mô hình 3D cho 5 cụm chi tiết gá lắp liên kết; sử dụng vật liệu nhựa ABS để chế tạo bằng máy in 3D;
• Phân tích ứng suất (Von Mises Stress) và chuyển vị (Displacement) của cả 5 chi tiết in 3D trên phần mềm Autodesk Inventor nhằm đảm bảo kết cấu không bị phá hủy hoặc biến dạng quá mức dưới lực căng đai.

Chương 6: Thiết kế phần điện điều khiển

Chương 6 trình bày thiết kế phần điều khiển điện tử và logic vận hành:

• Thiết lập sơ đồ nguyên lý và đấu nối dây chi tiết giữa Arduino UNO, Arduino CNC Shield V3, hai driver A4988 và các Module Endstop CNC;
• Xây dựng lưu đồ thuật toán vận hành tổng thể: tiếp nhận file G-code, giải mã lệnh, kiểm tra giới hạn hành trình và cấp phát xung bước cho hai động cơ;
• Phân tích sâu thuật toán nội suy đường thẳng (Linear Interpolation) và đường cong tròn (Circular Interpolation) trong nhân GRBL để tạo ra chuyển động phối hợp mượt mà của viên bi kim loại.

Chương 7: Chế tạo, thử nghiệm – đánh giá

Trình bày toàn bộ quá trình thi công thực tế tại xưởng:

• Thử nghiệm động cơ bước không tải và có tải trong không gian khung cơ khí;
• Đo đạc, cưa cắt và gia công các tấm gỗ để hoàn thiện phần khung vỏ bên ngoài của chiếc bàn;
• Lắp đặt khung nhôm định hình CoreXY, ray trượt, căng đai GT2 và gá cụm nam châm vào bên dưới khay cát;
• Hoàn thiện lắp ráp mặt kính cường lực phẳng ngang viền gỗ;
• Chạy thử nghiệm vẽ thực tế trên lớp cát động lực để đánh giá độ trơn tru và độ căng của dây đai.

Chương 8: Kết quả đạt được

Tổng kết sản phẩm vật lý sau quá trình nghiên cứu và chế tạo:

• Phần cứng: Một bàn cát động lực nghệ thuật hoàn chỉnh về mặt cơ khí và mỹ thuật; khung gỗ chắc chắn, mặt kính phẳng sang trọng; hệ thống cơ cấu CoreXY bên trong hoạt động ổn định, êm ái;
• Phần mềm: Tích hợp thành công phần mềm LaserGRBL, kết nối ổn định qua cổng USB máy tính;
• Kiểm nghiệm vẽ thực tế: Bàn đã vẽ thành công các họa tiết hình học từ cơ bản đến phức tạp như họa tiết hình vuông và họa tiết hình trái tim với độ sắc nét và tính đồng đều cao trên nền cát;
• Lập bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật thực nghiệm của sản phẩm hoàn chỉnh.

---

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể có thể đo lường và kiểm chứng qua thực nghiệm:

• Chế tạo thành công mô hình phần cứng bàn cát động lực:
  • Khung hệ chuyển động ứng dụng cơ cấu CoreXY chế tạo từ nhôm định hình 20x20 mm và ray trượt tuyến tính hoạt động ổn định;
  • Sử dụng 02 động cơ bước Nema 17 OK17STH147 kết hợp bộ truyền đai răng GT2 (bước răng 2 mm, puly và ròng rọc 20 răng) cho phép đầu mang nam châm di chuyển linh hoạt trong mặt phẳng;
  • Toàn bộ 5 chi tiết liên kết chịu lực được in 3D bằng nhựa ABS sau khi đã đạt yêu cầu kiểm nghiệm ứng suất và chuyển vị trên phần mềm Autodesk Inventor;
  • Gia công hoàn thiện phần vỏ gỗ với kết cấu mặt kính cường lực phẳng đồng mức với khung viền bàn, đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn sử dụng của một bàn trà nội thất.
• Tích hợp thành công hệ thống điều khiển số:
  • Vi điều khiển Arduino UNO R3 kết hợp board mở rộng Arduino CNC Shield V3 và 02 mạch điều khiển động cơ bước A4988;
  • Tích hợp 02 Module Endstop CNC (điện áp tối đa 125V, dòng 1A, kích thước 40 x 16 x 7 mm) làm công tắc giới hạn hành trình;
  • Cấu hình firmware mã nguồn mở GRBL trên Arduino IDE thành công cho cơ cấu chuyển động CoreXY;
  • Ứng dụng phần mềm LaserGRBL làm giao diện điều khiển, nhận dạng mã lệnh G-code và vẽ hoàn chỉnh các biên dạng hoa văn hình vuông và hình trái tim trên bề mặt cát.

Đóng góp kỹ thuật của đồ án so với các công trình đi trước:

• Khắc phục triệt để nhược điểm về công năng nội thất của các đề tài sinh viên năm 2021 (vốn có mặt kính đặt thụt sâu bên dưới viền gỗ, gây khó khăn cho việc sử dụng làm bàn uống nước, đặt để đồ vật);
• Thay thế cơ cấu tọa độ cực (1 động cơ quay đế + 1 động cơ tịnh tiến) phức tạp và cồng kềnh bằng hệ chuyển động phẳng CoreXY hiện đại; việc cố định cả hai động cơ bước trên khung máy giúp triệt tiêu tải trọng động của động cơ lên trục di chuyển, từ đó tăng độ chính xác lặp lại và giảm thiểu rung động khi vẽ tranh cát.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Mặc dù đã hoàn thành các mục tiêu ban đầu, tác giả cũng chỉ ra một số hạn chế còn tồn tại của sản phẩm:

• Hệ thống điều khiển vẫn phụ thuộc vào kết nối vật lý có dây (cáp USB) nối từ máy tính chạy phần mềm LaserGRBL đến bo mạch Arduino UNO, chưa hỗ trợ kết nối không dây;
• Động cơ bước sử dụng driver A4988 thông thường vẫn phát ra độ ồn nhất định trong quá trình vận hành liên tục ở tốc độ cao;
• Bàn chưa được tích hợp hệ thống chiếu sáng đèn LED đa sắc có khả năng đổi màu đồng bộ theo nét vẽ để tăng hiệu ứng thị giác như mẫu thương mại Sisyphus.

Các hướng phát triển tiếp theo được đề xuất trong đồ án bao gồm:

• Thay thế hoặc nâng cấp bo mạch điều khiển sang các dòng vi xử lý có tích hợp kết nối mạng không dây (như ESP32 hoặc Raspberry Pi chạy NodeJS) nhằm cho phép người dùng điều khiển, nạp hình vẽ trực tiếp từ điện thoại thông minh qua Wi-Fi hoặc Bluetooth;
• Nâng cấp mạch điều khiển động cơ bước sang các dòng driver chống ồn cao cấp hơn (như dòng vi bước siêu êm TMC) để triệt tiêu tiếng rít cơ khí khi đặt trong phòng khách hoặc phòng ngủ;
• Bổ sung dải đèn LED viền có khả năng lập trình hiệu ứng ánh sáng đổi màu linh hoạt tương ứng với vị trí và chuyển động của viên bi kim loại.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và thực tiễn đối với:

• Sinh viên và giảng viên chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử, Kỹ thuật Chế tạo máy và Tự động hóa tại các trường đại học, cao đẳng kỹ thuật;
• Đối tượng nghiên cứu tương tự: Những người đang thực hiện các đề tài nghiên cứu hoặc dự án tự chế tạo (DIY) liên quan đến hệ chuyển động CoreXY, máy vẽ phẳng (plotter), máy khắc laser mini, máy in 3D hoặc các thiết bị nghệ thuật động lực (kinetic art);
• Các phần nội dung đáng tham khảo chuyên sâu:
  • Quy trình phân tích và chuyển đổi động học hệ CoreXY kết hợp cấu hình firmware GRBL trên nền tảng phần cứng giá rẻ (Arduino UNO + CNC Shield V3 + A4988);
  • Phương pháp kiểm nghiệm độ bền, mô phỏng ứng suất tập trung và biến dạng của các chi tiết in 3D nhựa ABS bằng phần mềm Autodesk Inventor trước khi chế tạo thực tế;
  • Giải pháp tích hợp cơ cấu truyền động cơ khí chính xác vào trong một sản phẩm trang trí nội thất dân dụng.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ chuyển động CoreXY được lựa chọn trong đồ án có ưu thế gì nổi bật so với hệ Cartesian và Robot SCARA?
Hệ chuyển động CoreXY cho phép bố trí cố định cả hai động cơ bước trên khung máy thay vì phải mang theo một động cơ di chuyển trên trục như hệ Cartesian. Điều này giúp giảm đáng kể khối lượng quán tính của đầu công tác, cho phép hệ thống di chuyển với tốc độ cao hơn, chính xác hơn và kết cấu phẳng nhỏ gọn, rất phù hợp để giấu kín bên dưới đáy khay cát của bàn trà.

2. Viên bi kim loại di chuyển trên mặt cát bằng cơ chế vật lý nào?
Viên bi kim loại không gắn trực tiếp vào cơ cấu cơ khí mà đặt tự do trên lớp cát động lực. Dưới đáy khay cát, cụm đầu công tác của hệ CoreXY mang một cụm nam châm vĩnh cửu có từ tính mạnh. Khi hệ chuyển động CoreXY điều khiển cụm nam châm di chuyển bên dưới, lực hút từ trường xuyên qua đáy khay sẽ kéo viên bi lăn theo các tọa độ định sẵn, từ đó cày xới lớp cát và tạo nên các hoa văn hình học.

3. Phần mềm và vi điều khiển nào được tác giả sử dụng để điều khiển bàn cát?
Tác giả sử dụng vi điều khiển trung tâm là bo mạch Arduino UNO R3 nạp firmware mã nguồn mở GRBL kết hợp bo mở rộng Arduino CNC Shield V3 và hai mạch điều khiển A4988. Trên máy tính, tác giả sử dụng phần mềm giao diện LaserGRBL để gửi các tập lệnh G-code tọa độ qua cổng USB nối tiếp xuống mạch Arduino.

4. Điểm cải tiến quan trọng nhất về mặt kết cấu nội thất của đồ án này so với các nghiên cứu trước đó tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM là gì?
Ở các nghiên cứu trong nước năm 2021, mặt kính của bàn bị đặt thấp hơn đáng kể so với khung viền gỗ xung quanh khiến sản phẩm chỉ giống một mô hình thí nghiệm. Đồ án này đã thiết kế mặt kính phẳng ngang bằng với mặt khung viền gỗ, vừa bảo vệ lớp cát và giữ viên bi bên trong, vừa cho phép người dùng sử dụng mặt kính để đồ vật như một chiếc bàn nội thất thực thụ.

5. Các chi tiết liên kết cơ khí trong hệ chuyển động được chế tạo và kiểm nghiệm độ bền như thế nào?
Toàn bộ 5 khối chi tiết liên kết cơ khí (gá đỡ puly, gá động cơ, cụm mang nam châm) được thiết kế 3D và chế tạo bằng công nghệ in 3D sử dụng vật liệu nhựa kỹ thuật ABS. Trước khi in, tác giả đã tiến hành mô phỏng chịu lực trên phần mềm Autodesk Inventor để kiểm tra ứng suất tập trung (Von Mises) và độ biến dạng/chuyển vị, đảm bảo các chi tiết chịu được lực căng của dây đai GT2 trong suốt quá trình hoạt động.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bàn cát động lực nghệ thuật" của sinh viên Phạm Minh Lộc đã giải quyết thành công bài toán tích hợp giữa kỹ thuật cơ khí chính xác và mỹ thuật nội thất thông qua cơ chế chuyển động CoreXY. Hệ thống vận hành ổn định trên nền tảng phần cứng Arduino UNO kết hợp firmware GRBL và phần mềm LaserGRBL, điều khiển viên bi vẽ chính xác các họa tiết hình học trên cát thông qua lực từ trường. Nghiên cứu không chỉ hoàn thành việc chế tạo một sản phẩm vật lý có công năng sử dụng thực tế mà còn cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cao về tính toán cơ khí, mô phỏng kết cấu in 3D và ứng dụng điều khiển số cho các mô hình tự động hóa quy mô nhỏ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1. Tính cấp thiết của đề tài Từ trước đến nay, nhu cầu trang trí, làm đẹp cho không gian sống của con người chưa bao giờ dừng lại. Tuy nhiên, trên thị trường hiện nay lại có rất ít sản phẩm độc đáo, kết hợp được cả nghệ thuật lẫn cơ khí tự động hóa. Nhận thấy được một sản phẩm độc đáo, khác biệt với các sản phẩm truyền thống đã có trên thị trường, mang đến một trải nghiệm nghệ thuật hoàn toàn mới, kết hợp giữa nghệ thuật và công nghệ có rất nhiều tiềm năng trong việc khai thác ứng dụng thực tế, sáng tạo và thương mại.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Đề tài được nghiên cứu chủ yếu với những nội dung chủ yếu sau: - Tìm hiểu tổng quan về hệ chuyển động CoreXY. - Khảo sát về những đề tài ứng dụng hệ chuyển động CoreXY liên quan được nghiên cứu trước đây. - Nghiên cứu về lý thuyết và tính toán các phương trình động học thuận, động học nghịch. - Thiết kế và gia công bàn cát động lực nghệ thuật, lựa chọn động cơ phù hợp cho hệ thống cơ khí.

- Xây dựng chương trình điều khiển cho bàn. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Đề tài nhằm mục nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bàn cát động lực nghệ thuật ứng dụng hệ chuyển động CoreXY. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.1 Đối tượng nghiên cứu: - Bàn cát động lực nghệ thuật. - Phần mềm LaserGRBL.

Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu tổng quan về hệ chuyển động CoreXY. - Nghiên cứu, thiết kế có cấu của hệ chuyển động của bàn. - Nghiên cứu, tính toán chọn các thành phần cơ khí, điện. - Nghiên cứu, ứng dụng GRBL vào việc điều khiển bàn.

Phương pháp nghiên cứu 1. Cơ sở phương pháp luận Từ cơ sở các tài liệu, các nghiên cứu, đề tài đi trước về hệ chuyển động CoreXY, một số mẫu bàn tương tự trên thị trường để phân tích ưu điểm, nhược điểm để có thể có được mẫu bàn tốt hơn. Cơ sở phương pháp cụ thể Đề tài kết hợp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm chế tạo: Nghiên cứu lý thuyết: - Tham khảo các nghiên cứu về những ứng dụng của hệ chuyển động CoreXY có liên quan, sau đó chọn lựa ra cấu hình phù hợp cho đề tài. - Tìm hiểu các nghiên cứu liên quan về hệ chuyển động CoreXY sau đó tổng hợp tài liệu về các mô hình toán học về động học của bàn cát động lực nghệ thuật.

- Sử dụng những thông số về kích thước đã tìm được để thiết kế cơ khí cho bàn cát động lực nghệ thuật. - Xây dựng giao diện điều khiển bàn cát động lực nghệ thuật dựa trên nền tảng GRBL. Thực nghiệm bàn cát động lực nghệ thuật: - Gia công bàn theo thiết kế và tiến hành kiểm chứng những tính toán từ nghiên cứu lý thuyết bằng cách điều khiển bàn hoạt động theo những hình vẽ đã được lập trình. Kết cấu của đồ án tốt nghiệp Đồ án tốt nghiệp gồm 8 chương.

Nội dung cụ thể các chương gồm những phần sau: GIỚI THIỆU: Nội dung ở phần này sẽ nêu tính cấp thiết và lý do chọn đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI: ở phần tiếp theo sẽ nói về các khái niệm, định nghĩa, các kiến thức cần thiết khác liên quan đến đề tài. CƠ SỞ LÝ THUYẾT: Tìm hiểu các lý thuyết cần được sử dụng trong bài nghiên cứu. 2 PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP: đưa ra những phương án có thể lựa chọn, phân tích ưu điểm và nhược điểm của từng phương pháp, sau đó lựa chọn phương án tối ưu nhất.

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CƠ KHÍ: Tính toán những bài toán liên quan đến hệ chuyển động của bàn. CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM - ĐÁNH GIÁ: Tiến hành chế tạo bàn cát động lực nghệ thuật dựa trên những tính toán, thiết kế. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC: tổng kết những kết quả thu được sau khi thực hiện bài nghiên cứu. KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ: Kết luận tổng của đồ án và đưa ra phương hướng phát triển trong tương lai của sản phẩm 3 CHƯƠNG 2.

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2. Tổng quan về xu thế nội thất kết hợp với cơ khí tự động hóa và sự ra đời của bàn vẽ tranh cát tự động 2. Xu thế đồ nội thất kết hợp với cơ khí tự động hóa hiện nay Ngày nay, xu hướng những món đồ nội thất kết hợp với cơ khí tự động hóa đang ngày càng đực quan tâm và phát triển cả trong ngành thiết kế nội thất và cả ngành kỹ thuật. Cơ khí tự động hóa giúp cải thiện tính năng và hiệu quả sử dụng của các món đồ nội thất truyền thống, mang lại trải nghiệm tốt hơn cho người dùng và đáp ứng các nhu cầu hiện đại của cuộc sống.

Một số xu hướng phổ biến trong lĩnh vực này có thể kể đến như đồ nội thất thông minh. Đây là những món đồ nội thất được tích hợp với cảm biến và công nghệ điều khiển tự động, cho phép người dùng điều chỉnh các chức năng như ánh sáng, nhiệt độ, âm thanh,… thông qua ứng dụng di động hoặc thậm chí là cử chỉ, giọng nói. Bên cạnh những món đồ nội thất thông minh thì cũng có một xu thế đang ngày càng được ưa chuộng đó là những món đồ kết hợp giữa nghệ thuật và kỹ thuật. Đây là những món đồ vừa mang tính nghệ thuật, dùng để trang trí không gian sống, làm việc, vừa mang tính hiện đại của các cơ cấu cơ khí.

Một số món đồ nội thất có thể kể đến như những chiếc đèn có thể tự động thay đổi hình dáng, những chiếc tủ có thể thay đổi độ cao, độ nghiêng,. và có một món đồ nội thất khá nổi thời gian gần đây đó chính là chiếc bàn có thể tự động vẽ ra các họa tiết, hoa văn phức tạp trên nền cát. Sự ra đời và phát triển của bàn vẽ tranh cát tự động Chiếc bàn vẽ tranh cát tự động đầu tiên được ra đời vào khoảng thời gian năm 2015 với cái tên “Sisyphus 1. Đây là một tác phẩm được tạo ra bởi nghệ sĩ vẽ tranh cát Bruce Shapiro.

Ông đã sáng tạo ra một cơ chế tự động sử dụng các động cơ để điều khiển viên bi kim loại di chuyển trên bề mặt cát để tạo ra những hoa văn, họa tiết vô cùng độc đáo. Bàn Sisyphus phiên bản đầu tiên (Nguồn: Internet) Sau phiên bản bàn vẽ tranh cát tự động đầu tiên, Bruce Shapiro đã thu hút được rất nhiều sự chú ý từ phía người tiêu dùng. Được biết vào lúc chiếc bàn được giới thiệu vào năm 2017, nó đã được đặt kín trước thời điểm ra mắt gần 1 năm. Sau sự thành công của phiên bản bàn vẽ tranh cát Sisyphus đầu tiên, nghệ sĩ Bruce Shapiro cũng đã liên tục cho ra mắt những phiên bản kế tiếp với những cải tiến về cả mẫu mã lẫn tính năng mới.

Hiện nay, bàn vẽ tranh cát tự động đã trở thành một sản phẩm phổ biến trong lĩnh vực nghệ thuật, trang trí nội thất và giải trí. Những tác phẩm tranh cát tự động không chỉ gây ấn tượng mạnh với người xem mà còn tạo ra một trải nghiệm thú vị và sáng tạo cho người dùng. Đặc tính của bàn cát động lực nghệ thuật Bàn cát động lực nghệ thuật là một sản phẩm mang tính nghệ thuật độc đáo và có những đặc tính đặc biệt như: - Nghệ thuật động: Bàn cát động lực nghệ thuật tạo ra những hình ảnh nghệ thuật động trên mặt phẳng cát. Qua quá trình di chuyển của bi trên bề mặt cát, các hình vẽ được tạo ra và thay đổi liên tục, tạo nên một tác phẩm nghệ thuật sống động và thú vị.

Độ chính xác và chi tiết: Hệ thống cơ khí và điều khiển của bàn Sisyphus được thiết kế để đảm bảo độ chính xác và chi tiết cao trong quá trình vẽ. Điều này cho phép tạo ra những mẫu vẽ phức tạp và tỉ mĩ. Sự kết hợp giữa công nghệ và nghệ thuật: bàn cát động lực nghệ thuật kết hợp giữa công nghệ và nghệ thuật để tạo ra những hiệu ứng chuyển động mượt mà và tinh tế. 5 Tạo không gian thư giãn và thẩm mỹ: bàn cát động lực nghệ thuật không chỉ là một món đồ trang trí nội thất mà đó còn là một tác phẩm nghệ thuật, tạo ra một không gian thẩm mỹ, thư giãn và độc đáo trong không gian sống.

Kích thước và thiết kế đa dạng: Bàn cát động lực nghệ thuật có thể được thiết kế với nhiều kích thước khác nhau nhằm phù hợp với không gian và nhu cầu sử dụng. Có thể có các phiên bản mini dành cho bản làm việc cá nhân hoặc các phiên bản lớn hơn dùng trong không gian nghệ thuật lớn. Bàn cát động lực nghệ thuật có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, không gian khác nhau, từ không gian nghệ thuật, trung tâm triển lãm, nhà hàng, khách sạn cho đến các không gian công cộng và cá nhân. Cấu tạo của bàn cát động lực nghệ thuật Bàn cát động lực nghệ thuật có thể có nhiều kiểu dáng, kết cấu khác nhau, tuy nhiên thường sẽ có một số phần cấu tạo chung như: - Bề mặt vẽ: bàn cát động lực nghệ thuật có một tấm bề mặt phẳng được phủ một lớp cát động lực, đây là nơi mà các hình vẽ sẽ được tạo ra thông qua việc di chuyển của viên bi.

- Hệ thống điều khiển: bàn cát động lực nghệ thuật được điều khiển bởi một hệ thống điều khiển chuyên dụng. Hệ thống này sẽ điều chỉnh chuyển động của viên bi trên bề mặt vẽ để tạo ra các hình vẽ. - Hệ thống khung: bàn cát động lực nghệ thuật có bộ khung hệ chuyển động được tạo bởi các thanh nhôm định hình được liên kết với nhau bằng các ke góc vuông, tạo nên sự chắc chắn, gọn nhẹ, dễ dàng tháo lắp. - Động cơ: động cơ được dùng để tạo ra chuyển động cho viên bi trên bề mặt vẽ.

Động cơ có thể là loại động cơ bước, động cơ servo hoặc là các loại động cơ khác, tùy thuộc vào thiết kế và yêu cầu của bản vẽ. Nói tóm lại, bàn cát động lực nghệ thuật có thể có nhiều cách cấu tạo khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu của người sử dụng, tuy nhiên những thành phần chung nhất mà bàn cát động lực phải có sẽ gồm bề mặt vẽ, hệ thống điều khiển, hệ thống khung và động cơ. Các thành phần này hoạt động cùng nhau để tạo ra những tác phẩm nghệ thuật trên cát. Các nghiên cứu liên quan đến đề tài 2.