Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư đang phát triển mạnh mẽ, việc ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI), robot và Internet vạn vật (IoT) vào các quy trình tự động hóa sản xuất và vận hành trở thành xu hướng tất yếu. Tại các nhà máy, kho vận cũng như các cơ sở dịch vụ như nhà hàng, quán cà phê và bệnh viện, nhu cầu vận chuyển hàng hóa, trang thiết bị và vật dụng cồng kềnh đòi hỏi tính chính xác, khả năng hoạt động liên tục 24/7 nhằm giảm thiểu thời gian chờ đợi và tối ưu hóa chi phí nhân công. Đồng thời, việc ứng dụng thiết bị tự hành còn giúp hạn chế tiếp xúc trực tiếp giữa người với người trong các tình huống dịch bệnh. Nhận thấy yêu cầu thực tiễn đó, đề tài tốt nghiệp mã số CKM-26 với tên gọi "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot giao hàng đa năng" được nhóm tác giả lựa chọn và thực hiện tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định rõ qua các nội dung sau:

  1. Xây dựng bản vẽ thiết kế 2D và mô hình 3D cho các cụm chi tiết cơ khí của robot.
  2. Nghiên cứu và lựa chọn phương án thiết kế hệ thống tối ưu.
  3. Gia công, chế tạo mô hình cơ khí thực tế.
  4. Thiết kế, lắp ráp hệ thống mạch điện và vi điều khiển.
  5. Xây dựng chương trình ứng dụng giao diện tương tác người dùng và hệ thống cơ sở dữ liệu.
  6. Thử nghiệm, đánh giá và hiệu chỉnh các sai sót kỹ thuật trong bản thiết kế.
  7. Lập bản báo cáo đồ án tốt nghiệp hoàn chỉnh.
  8. Hoàn thiện mô hình robot vận hành ổn định.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là mô hình robot giao hàng đa năng có khả năng bám theo đường dẫn kim loại và nhận diện điểm dừng bằng thị giác máy tính. Về mặt phần cứng điều khiển, robot sử dụng một máy tính xách tay ASUS TUF Gaming FX506 để làm máy chủ cơ sở dữ liệu, xử lý hình ảnh camera quét mã QR, đồng thời kết hợp mạch vi điều khiển STM32F103C8T6 để đọc cảm biến tiệm cận từ và phát xung điều khiển động cơ chuyển động.

Phạm vi nghiên cứu của đề tài bao gồm ba mảng kỹ thuật cốt lõi: cơ khí, điện tử và lập trình điều khiển. Không gian làm việc mục tiêu được giới hạn trong môi trường nhà hàng, quán ăn hoặc văn phòng với đặc điểm sàn nhà bằng phẳng, không có chướng ngại vật phức tạp, điều kiện nhiệt độ và độ ẩm ổn định, sử dụng mạng Wi-Fi nội bộ để truyền nhận dữ liệu. Thời gian nghiên cứu và thực hiện đồ án diễn ra trong học kỳ 2 năm học 2023–2024, hoàn thành và nghiệm thu vào tháng 07/2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đề tài dựa trên các nguyên lý cơ học động lực học máy, lý thuyết điều khiển tự động, kỹ thuật truyền thông nối tiếp và thị giác máy tính:

  • Lý thuyết cơ học và động lực học: Tính toán lực cản chuyển động, tải trọng tác dụng lên các trục bánh xe, mô-men quay của hệ thống dẫn động và kiểm nghiệm độ bền tĩnh của kết cấu khung thép tấm CT3 dưới tác dụng của gia tốc trọng trường $g = 9,81\text{ m/s}^2$.
  • Kiến trúc điều khiển phân tầng: Hệ thống được tổ chức thành 3 tầng hoạt động độc lập và tương tác với nhau:
    • Tầng ứng dụng (Application level): Đảm nhiệm vai trò giao diện tương tác người dùng, thu thập dữ liệu yêu cầu giao hàng và gửi về máy chủ.
    • Tầng xử lý cấp cao (High level): Sử dụng máy tính cá nhân để quản trị cơ sở dữ liệu MariaDB, tiếp nhận luồng video từ camera, áp dụng các thuật toán xử lý ảnh nhận diện mã QR và phát lệnh điều khiển xuống tầng chấp hành qua giao thức UART.
    • Tầng điều khiển cấp thấp (Low level): Bo mạch vi điều khiển STM32F103C8T6 tiếp nhận tín hiệu từ các cảm biến tiệm cận từ để điều khiển bám đường dẫn kim loại, đồng thời xuất tín hiệu PWM qua mạch công suất điều khiển chuyển động và góc lái của bánh xe.
  • Thị giác máy tính và giải mã dữ liệu: Ứng dụng thư viện OpenCV cho các tác vụ tiền xử lý ảnh; thư viện Pyzbar để quét và giải mã định dạng mã QR 2D cũng như mã vạch 1D (EAN, UPC, Code 39, Code 128); thư viện Imutils để hỗ trợ xoay, cắt và thay đổi kích thước khung hình từ camera.
  • Giao diện và truyền thông: Sử dụng framework PyQt kết hợp phần mềm Qt Designer để thiết kế giao diện đồ họa (GUI), gói PyUIC để chuyển đổi file .ui sang mã nguồn Python, công cụ PyInstaller để đóng gói chương trình thành tệp thực thi .exe trên hệ điều hành Windows; thư viện PySerial thực hiện giao tiếp hai chiều (Full duplex) qua cổng nối tiếp UART với bo mạch điều khiển; hệ quản trị cơ sở dữ liệu MariaDB lưu trữ và cập nhật trạng thái đơn hàng.
  • Động cơ điện: Khảo sát nguyên lý hoạt động, cách phân loại và phương pháp điều khiển động cơ một chiều (DC Motor).

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

  • Phương pháp khảo sát, phân tích và tổng hợp tài liệu chuyên khảo về robot giao hàng, bao gồm các mô hình thương mại và nghiên cứu trong nước (VMR-01 của Viettel Post, Vibot-1a) cũng như quốc tế (Starship Technologies, Nuro R2).
  • Phương pháp mô hình hóa và thiết kế kỹ thuật: Ứng dụng các phần mềm AutoCAD, Inventor và Solidworks để xây dựng bản vẽ 2D, mô hình 3D của các cụm chi tiết cơ khí và kiểm tra động học cơ cấu lái.
  • Phương pháp thực nghiệm chế tạo: Áp dụng phương pháp cắt CNC thép tấm CT3, dập kim loại, gia công hàn kết cấu để tạo khung robot; thi công lắp ráp mạch điện tử, kết nối driver công suất và thiết bị điều khiển; chạy thử nghiệm thực tế nhiều lần để đánh giá độ chính xác bám line và khả năng dừng đỗ đúng trạm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu tổng quan

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh tự động hóa quy trình vận chuyển hàng hóa nội bộ; nêu rõ ý nghĩa khoa học trong việc vận dụng lý thuyết cơ kỹ thuật vào chế tạo thực tế và ý nghĩa thực tiễn trong giảm thiểu chi phí nhân công, hạn chế lây nhiễm dịch bệnh. Chương này xác định rõ mục tiêu tổng quát, nhiệm vụ cụ thể phân bổ cho từng sinh viên thực hiện (thiết kế cơ khí, lắp ráp mạch điều khiển, lập trình giao diện), phạm vi giới hạn kỹ thuật của hệ thống và kết cấu đồ án gồm 7 chương.

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài

Chương 2 phân tích các đặc tính kỹ thuật cần có của robot giao hàng đa năng (tính tự động, tính linh hoạt, khả năng tương tác và khả năng tự sạc); liệt kê kết cấu các khối thành phần chính bao gồm khung vỏ, bánh xe, động cơ DC, khoang chứa hàng, cảm biến dò đường, công tắc hành trình, khối pin nguồn, camera, vi xử lý và phần mềm giao diện. Bên cạnh đó, chương tổng hợp các công trình nghiên cứu tiêu biểu trong nước (robot vận chuyển phân loại VMR-01 của Viettel Post, robot vận chuyển y tế Vibot-1a tại Bệnh viện Bắc Thăng Long) và ngoài nước (Starship robot, Nuro R2, các nghiên cứu tại MIT, Stanford, CMU). Từ đó, tác giả chỉ ra các rào cản kỹ thuật hiện tại cần giải quyết như độ an toàn trong môi trường hẹp, khả năng thích ứng địa hình và chi phí chế tạo.

Chương 3: Cơ sở lí thuyết

Chương 3 tập trung thuyết minh các nền tảng lý thuyết được áp dụng trong hệ thống robot giao hàng bám line kim loại:

  • Giới thiệu cấu trúc, các module chính và thuật toán phổ biến của thư viện OpenCV (Canny Edge Detection, Haar Cascades, Hough Transform, SIFT, SURF, CNN).
  • Nguyên lý hoạt động của thư viện Pyzbar trong giải mã mã vạch 1D và mã QR 2D.
  • Khả năng xử lý khung hình của thư viện Imutils và giao tiếp nối tiếp thông qua PySerial.
  • Quy trình phát triển giao diện người dùng bằng PyQt, Qt Designer, trình biên dịch PyUIC và công cụ đóng gói PyInstaller trên hệ điều hành Windows.
  • Cấu trúc và ưu điểm của hệ quản trị cơ sở dữ liệu MariaDB trong việc liên kết dữ liệu giữa ứng dụng khách hàng và quản lý.
  • Chuẩn giao tiếp truyền thông nối tiếp không đồng bộ UART (cấu trúc khung truyền gồm start bit, data bits, parity bit, stop bit; các chế độ Simplex, Half-duplex, Full-duplex).
  • Cấu tạo, nguyên lý làm việc và phân loại động cơ điện một chiều (DC Motor).

Chương 4: Giải pháp và tính toán thiết kế cơ khí

Chương 4 đưa ra các yêu cầu kỹ thuật ban đầu của mô hình robot: kích thước bao 40 x 40 x 95 cm, khối lượng robot 12 kg, tải trọng tối đa 50 kg, công suất 48W, vận tốc di chuyển 0,2 m/s, thời gian hoạt động liên tục 2 giờ. Môi trường làm việc lý tưởng được xác định là sàn phẳng trong nhà hàng, kết nối Wi-Fi nội bộ.

Tại chương này, tác giả so sánh các phương án kết cấu:

  • So sánh kết cấu bánh xe: Đánh giá ưu nhược điểm giữa cấu hình 4 bánh, 3 bánh và bánh Omni đa hướng. Kết quả lựa chọn kết cấu 4 bánh để đảm bảo khả năng chịu tải trọng nặng và độ ổn định cao.
  • So sánh cơ cấu lái: Đánh giá hệ thống đánh lái 2 bánh trước, hệ thống đánh lái 4 bánh cùng pha (In-Phase Steering) và hệ thống đánh lái 4 bánh nghịch pha (Counter-Phase Steering, 4WS). Nhóm tác giả quyết định chọn hệ thống đánh lái 4 bánh nghịch pha nhằm thu nhỏ tối đa bán kính quay vòng ở tốc độ thấp, giúp xe vận hành linh hoạt trong không gian hẹp.
  • Chọn bánh xe: Sử dụng bánh xe nhôm bọc cao su có vân chống trượt, bán kính $r_{bs} = 50\text{ mm}$, bề rộng $b = 30\text{ mm}$, tải trọng tối đa mỗi bánh 50 kg, khối lượng 180 g.
  • Thiết kế kết cấu khung chia làm 2 cụm độc lập:
    • Khung thân dưới: Kích thước 40 x 40 x 15 cm, khối lượng không tải 9 kg, chế tạo bằng thép tấm CT3 cắt CNC và hàn ghép.
    • Khung trên: Kích thước 40 x 40 x 80 cm, khối lượng không tải 3 kg, liên kết với khung thân dưới thông qua 4 bu-lông ở 4 góc, cho phép tháo lắp nhanh để thay đổi công năng sử dụng (chở khay thức ăn, chở pallet hàng, thiết bị y tế).
  • Tính toán động học, động lực học và lựa chọn động cơ DC giảm tốc mã hiệu DS400, sau đó tiến hành kiểm nghiệm bền trục và kết cấu chịu lực.

Chương 5: Thiết kế hệ thống điện và giải thuật điều khiển

Chương 5 thuyết minh chi tiết sơ đồ nguyên lý hệ thống điện và giải thuật điều khiển phân tầng:

  • Hệ thống điện bao gồm: Nguồn cấp từ khối pin EVE/LISHEN 2000mAh dòng xả 10C, bảo vệ quá dòng bằng cầu chì ống thủy tinh 10A (kích thước 6 x 30 mm); mạch hạ áp LM2596S cung cấp các mức điện áp ổn định; bo mạch vi điều khiển STM32F103C8T6 (Blue Pill); máy tính ASUS FX506; cảm biến tiệm cận từ PSN17-8DN và NJK-5002C; công tắc hành trình; mạch công suất cầu H BTS7960; mạch cách ly quang Opto 4 kênh DC; mạch chuyển đổi giao tiếp CP2102 (USB sang UART).
  • Tính toán dòng điện tiêu thụ toàn hệ thống ở tầng High level và Low level.
  • Xây dựng giải thuật điều khiển:
    • Giải thuật tầng Application: Giao diện người dùng cho khách hàng (Customer GUI) để gọi món/yêu cầu giao hàng và giao diện cho người quản lý (Manager GUI) để kiểm soát lộ trình, đồng bộ dữ liệu qua MariaDB.
    • Giải thuật tầng High level: Xử lý video từ camera, áp dụng OpenCV và Pyzbar nhận dạng mã QR trạm dừng, tính toán trạng thái và truyền lệnh điều khiển qua cổng nối tiếp.
    • Giải thuật tầng Low level: Đọc trạng thái cảm biến tiệm cận từ dò line kim loại, xuất tín hiệu điều khiển logic và xung PWM đến mạch công suất BTS7960 để điều khiển 4 động cơ dẫn động và động cơ bẻ lái nghịch pha.

Chương 6: Chế tạo thực nghiệm và đánh giá

Chương 6 trình bày toàn bộ quy trình gia công cơ khí, lắp ráp hệ thống điện, bố trí thiết bị trên khung đế và thực hiện các bài đo kiểm thực tế. Nhóm nghiên cứu tiến hành 3 đợt thực nghiệm để kiểm tra độ ổn định bám đường line kim loại, độ chính xác nhận diện mã QR của camera ở các điều kiện ánh sáng khác nhau, sai số vị trí khi dừng đỗ tại trạm và khả năng vận hành chở tải trọng 50 kg. Ngoài ra, chương cung cấp quy trình khởi động, hướng dẫn vận hành phần mềm và các khuyến cáo về bảo dưỡng, an toàn cơ điện định kỳ.

Chương 7: Kết luận và hướng phát triển

Chương 7 tổng kết toàn bộ kết quả chế tạo mô hình robot giao hàng đa năng hoàn chỉnh đáp ứng các chỉ tiêu thiết kế; đồng thời chỉ ra các hạn chế và đề xuất phương hướng phát triển hệ thống trong tương lai.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống kỹ thuật của robot giao hàng đa năng được tích hợp đồng bộ giữa kết cấu cơ khí chịu tải, mạch điện tử điều khiển và các tầng phần mềm chức năng.

Bảng tổng hợp thông số thiết kế và linh kiện phần cứng chính của hệ thống:

Hạng mục / Bộ phận Thông số kỹ thuật / Linh kiện lựa chọn Chức năng trong hệ thống
Kích thước tổng thể 40 x 40 x 95 cm Kích thước toàn bộ robot khi lắp ráp hoàn chỉnh
Khung thân dưới 40 x 40 x 15 cm; Thép CT3 cắt CNC; nặng 9 kg Khung chịu lực chính, gá động cơ, mạch điện và pin
Khung chứa tầng trên 40 x 40 x 80 cm; Thép CT3; nặng 3 kg Khoang chở hàng tháo lắp nhanh bằng 4 chốt bu-lông
Bánh xe dẫn động Bánh nhôm bọc cao su có vân; $r_{bs} = 50\text{ mm}$, $b = 30\text{ mm}$ Chịu tải tối đa 50 kg/bánh, tăng độ bám và chống trượt
Cơ cấu đánh lái Hệ thống đánh lái 4 bánh nghịch pha (4WS) Bánh trước và sau quay ngược chiều, giảm bán kính quay
Động cơ truyền động Động cơ điện một chiều giảm tốc DS400 Cung cấp lực kéo di chuyển cho 4 bánh xe
Bộ xử lý trung tâm Máy tính xách tay ASUS FX506 (TUF Gaming 15) Máy chủ CSDL MariaDB, xử lý ảnh camera quét mã QR
Vi điều khiển STM32F103C8T6 (Blue Pill ARM Cortex-M3) Đọc cảm biến dò line, điều khiển góc lái và xuất xung PWM
Mạch công suất Module cầu H BTS7960; Mạch Opto 4 kênh DC Điều khiển chiều quay và tốc độ động cơ DC, cách ly tín hiệu
Cảm biến dẫn đường Cảm biến tiệm cận từ PSN17-8DN, NJK-5002C Phát hiện đường line kim loại lắp đặt dưới mặt sàn
Cảm biến giới hạn Công tắc hành trình cơ học Giới hạn góc quay của các khớp chuyển động cơ cấu lái
Mô-đun giao tiếp CP2102 (USB sang UART) Kết nối truyền nhận dữ liệu Full-duplex giữa PC và STM32
Bộ nguồn hệ thống Khối pin EVE/LISHEN 2000mAh dòng xả 10C Cấp nguồn động lực cho toàn bộ hệ thống
Mạch ổn áp & bảo vệ Mạch hạ áp LM2596S; Cầu chì ống 10A (6 x 30 mm) Ổn định các mức điện áp điều khiển và bảo vệ quá dòng
Phần mềm điều khiển PyQt, Qt Designer, PyUIC, PyInstaller Xây dựng và đóng gói giao diện tương tác trên Windows
Thị giác máy tính OpenCV kết hợp thư viện Pyzbar, Imutils Thu nhận hình ảnh, lọc nhiễu và giải mã mã QR điểm dừng
Cơ sở dữ liệu MariaDB Lưu trữ trạng thái đơn hàng, dữ liệu trạm và kết nối GUI

Kiến trúc hoạt động của hệ thống vận hành theo quy trình khép kín: Khách hàng nhập lệnh giao hàng qua giao diện Customer GUI, dữ liệu được ghi vào cơ sở dữ liệu MariaDB trên máy tính chủ ASUS FX506. Bộ xử lý cấp cao trích xuất thông tin điểm đến, đồng thời kích hoạt camera quét mã QR trên lộ trình. Lệnh điều hướng được đóng gói truyền qua giao thức UART đến vi điều khiển STM32F103C8T6. Tại tầng chấp hành, vi điều khiển thu thập liên tục dữ liệu từ cảm biến tiệm cận từ PSN17-8DN và NJK-5002C để bám theo đường line kim loại đặt chìm dưới mặt sàn, điều khiển động cơ bẻ lái nghịch pha và động cơ kéo DS400 thông qua module cầu H BTS7960 cho đến khi camera nhận diện đúng mã QR của trạm đích thì dừng lại để hoàn tất chu trình giao nhận.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã chế tạo thành công mô hình robot giao hàng đa năng hoàn chỉnh và đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể sau:

  • Khung cơ khí đáp ứng tải trọng vận chuyển thiết kế tối đa 50 kg, vận tốc di chuyển ổn định đạt 0,2 m/s, công suất tiêu thụ định mức 48W và thời gian hoạt động đạt 2 giờ liên tục.
  • Hệ thống đánh lái 4 bánh nghịch pha (Counter-Phase Steering, 4WS) hoạt động chính xác theo góc điều khiển, giúp giảm đáng kể bán kính quay vòng của xe so với hệ thống lái 2 bánh truyền thống, cho phép robot xoay chuyển cơ động trong các lối đi hẹp của nhà hàng và kho hàng.
  • Kết cấu khung 2 tầng tháo rời linh hoạt bằng 4 chốt bu-lông ở 4 góc, cho phép thay đổi khoang hàng phía trên tùy thuộc vào nhu cầu thực tế như chở thức ăn, chở khay hàng công nghiệp hoặc trang thiết bị y tế.
  • Mạch điều khiển phân tầng hoạt động đồng bộ: Tầng High level trên máy tính ASUS FX506 xử lý hình ảnh qua thư viện OpenCV và giải mã mã QR bằng Pyzbar ổn định, kết nối trực tiếp với cơ sở dữ liệu MariaDB; tầng Low level trên vi điều khiển STM32F103C8T6 xử lý tín hiệu cảm biến tiệm cận từ PSN17-8DN, NJK-5002C và xuất xung PWM qua mạch công suất BTS7960 điều khiển các động cơ DC DS400 chính xác.
  • Đóng góp so với các nghiên cứu trước được nhóm tác giả tự xác định: Đề xuất giải pháp cơ cấu lái 4 bánh nghịch pha ứng dụng cho robot dịch vụ trong nhà; xây dựng mô hình cơ khí tách rời 2 phần linh hoạt mục đích sử dụng; tối ưu hóa chi phí sản xuất thông qua việc sử dụng vật liệu thép tấm CT3 gia công CNC kết hợp các module điện tử và thư viện mã nguồn mở phổ biến.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Mặc dù mô hình đã chế tạo và vận hành ổn định, đồ án còn tồn tại một số hạn chế được văn bản đề cập:

  • Thiết bị xử lý trung tâm: Do kinh phí nghiên cứu hạn chế, hệ thống chưa được tích hợp máy tính nhúng chuyên dụng (như Raspberry Pi hoặc Jetson) mà phải dùng máy tính xách tay đặt trực tiếp lên robot để làm server và xử lý thị giác, gây cồng kềnh và giảm tính thẩm mỹ.
  • Phương thức dẫn đường: Robot phụ thuộc hoàn toàn vào đường line kim loại lắp đặt cố định dưới sàn và các trạm dán mã QR một chiều; chưa trang bị cảm biến LiDAR quét bản đồ (SLAM) hoặc camera cảm biến chiều sâu để tránh vật cản động một cách linh hoạt.
  • Trọng lượng và vật liệu: Khung thân dưới gia công bằng thép tấm CT3 có trọng lượng bản thân tương đối nặng (9 kg) và dễ bị oxy hóa nếu không được sơn phủ, bảo quản kỹ lưỡng.
  • Hệ thống nguồn: Chưa phát triển được cơ chế tự động tìm về trạm sạc (dock sạc tự động) khi pin yếu, việc nạp năng lượng vẫn phải thực hiện thủ công.

Các hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo được tác giả đề xuất:

  • Tích hợp máy tính nhúng nhỏ gọn nhằm tối ưu hóa không gian khoang kỹ thuật của robot.
  • Nghiên cứu ứng dụng cảm biến LiDAR kết hợp thuật toán SLAM và học sâu (Deep Learning) để robot có khả năng tự định vị, lập bản đồ và tự động tránh chướng ngại vật mà không cần dán line kim loại.
  • Nghiên cứu, thiết kế cơ cấu tiếp xúc tự động để robot có thể tự động kết nối với trạm sạc điện khi dung lượng pin xuống thấp.
  • Cải tiến vật liệu khung vỏ sang hợp kim nhôm hoặc nhựa kỹ thuật để giảm tải trọng bản thân và tăng khả năng chống ăn mòn.

Giá trị tham khảo

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

  • Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí, Tự động hóa, Kỹ thuật Máy tính và Công nghệ thông tin đang thực hiện đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp liên quan đến robot tự hành (AGV/AMR), hệ thống dẫn đường bám line và xe điều khiển 4 bánh (4WS).
  • Kỹ sư cơ khí và kỹ sư nhúng có thể tham khảo phương pháp tính toán động cơ DC, thiết kế kết cấu cơ khí khung chịu tải 50 kg, sơ đồ nguyên lý mạch công suất cầu H BTS7960 ghép nối vi điều khiển STM32F103C8T6.
  • Các nội dung có giá trị tham khảo cao nhất bao gồm: Chương 4 với bảng tính toán động học, phân tích ưu nhược điểm các hệ thống đánh lái và giải pháp thiết kế khung module 2 phần tháo lắp nhanh; Chương 5 với sơ đồ kết nối phân tầng điều khiển (Application - High - Low level) và bảng trạng thái logic điều khiển bám line kim loại kết hợp mã QR.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống đánh lái của robot sử dụng cơ chế nào và ưu điểm kỹ thuật của phương án đó là gì?
    Robot sử dụng hệ thống đánh lái 4 bánh nghịch pha (Counter-Phase Steering, 4WS). Khi đánh lái ở tốc độ thấp, bánh sau sẽ quay ngược chiều với bánh trước, giúp giảm tối đa bán kính quay vòng, tăng tính cơ động khi di chuyển trong không gian chật hẹp của nhà hàng hoặc kho bãi.

  2. Robot sử dụng phương thức nào để dẫn đường và nhận diện điểm dừng giao hàng?
    Robot kết hợp hai cơ chế: Dẫn đường bằng hệ thống cảm biến tiệm cận từ (PSN17-8DN và NJK-5002C) bám theo đường line kim loại lắp đặt cố định dưới mặt sàn; nhận diện điểm dừng giao hàng bằng camera thu nhận hình ảnh, sử dụng thư viện OpenCV và Pyzbar trên máy tính để quét và giải mã các mã QR dán tại từng trạm.

  3. Cấu trúc phần cứng điều khiển và phần mềm của robot được tổ chức như thế nào?
    Hệ thống được tổ chức theo 3 tầng: Tầng Application gồm giao diện PyQt (Qt Designer, MariaDB) trên máy tính/thiết bị di động; Tầng High level sử dụng máy tính ASUS FX506 xử lý hình ảnh camera và quản lý cơ sở dữ liệu; Tầng Low level sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6 đọc cảm biến từ và xuất xung PWM qua mạch công suất BTS7960 điều khiển động cơ. Máy tính và vi điều khiển giao tiếp với nhau bằng giao thức UART qua mạch chuyển đổi CP2102.

  4. Khung cơ khí của robot có đặc điểm cấu tạo gì đặc biệt?
    Khung robot được làm từ thép tấm CT3 cắt CNC và hàn cố định, chia làm 2 phần độc lập: Khung thân dưới (40 x 40 x 15 cm, nặng 9 kg) chứa động cơ, mạch điện và pin; Khung trên (40 x 40 x 80 cm, nặng 3 kg) dùng làm khoang chứa hàng, liên kết với khung dưới bằng 4 chốt bu-lông ở 4 góc để tháo lắp nhanh chóng tùy theo mục đích vận chuyển.

  5. Các thông số vận hành cơ bản (kích thước, khối lượng, tải trọng, tốc độ) của robot là bao nhiêu?
    Robot có kích thước tổng thể 40 x 40 x 95 cm; tổng khối lượng bản thân không tải là 12 kg (khung thân dưới 9 kg và khung trên 3 kg); tải trọng vận chuyển hàng hóa tối đa là 50 kg; tốc độ di chuyển thiết kế đạt 0,2 m/s; công suất tiêu thụ định mức là 48W với thời gian hoạt động liên tục trong 2 giờ.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot giao hàng đa năng" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã giải quyết trọn vẹn quy trình từ tính toán lý thuyết, thiết kế mô hình 3D, gia công cơ khí đến tích hợp hệ thống điện và lập trình điều khiển hoàn chỉnh. Việc áp dụng thành công cơ cấu đánh lái 4 bánh nghịch pha kết hợp hệ thống bám line kim loại và nhận diện mã QR thông qua kiến trúc phân tầng 3 lớp đã mang lại giải pháp vận chuyển hàng hóa chịu tải 50 kg vận hành ổn định trong môi trường dịch vụ và công nghiệp. Bản đồ án cung cấp nguồn dữ liệu kỹ thuật thực nghiệm chi tiết, có giá trị học thuật và ứng dụng cao cho việc nghiên cứu và chế tạo các dòng robot di động tự hành tương tự.