Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Lý do chọn đề tài và bối cảnh thực tiễn

Trong bối cảnh công nghiệp 4.0 và chuyển đổi số, công nghệ tự động hóa cùng robot dịch vụ đang phát triển mạnh mẽ nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống và tối ưu hóa quy trình vận hành. Trong lĩnh vực dịch vụ nhà hàng và khách sạn, các phương thức phục vụ truyền thống dựa trên nhân công bưng bê trực tiếp đối mặt với nhiều hạn chế như: sai sót trong quá trình giao món, chi phí nhân sự tăng cao, năng suất phục vụ bị giới hạn trong khung giờ cao điểm và nguy cơ lây nhiễm chéo trong các tình huống dịch bệnh. Nhằm giải quyết các bài toán trên, nhu cầu ứng dụng các hệ thống robot tự hành phục vụ bàn (Service Robot) có khả năng tự động bưng bê thức ăn từ khu vực bếp đến bàn ăn và tương tác với khách hàng đang trở thành xu hướng tất yếu. Tại Việt Nam, việc nghiên cứu, làm chủ công nghệ thiết kế và chế tạo robot tự hành phục vụ còn nhiều tiềm năng phát triển, đòi hỏi các giải pháp kỹ thuật có chi phí hợp lý, độ bền cơ học cao và khả năng tương thích với hạ tầng nhà hàng trong nước.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Đề tài xác định hệ thống các mục tiêu và nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể cần hoàn thành bao gồm:

  1. Hoàn thành thiết kế, gia công cơ khí và chế tạo mô hình robot phục vụ món ăn và tương tác với khách hàng trong nhà hàng.
  2. Xây dựng hệ thống điều khiển kết hợp hai khối vi điều khiển ESP32 và Arduino UNO R3 nhằm phân tầng nhiệm vụ điều khiển chuyển động thời gian thực và quản lý truyền thông không dây.
  3. Thiết kế giao diện Web Server phục vụ việc giám sát trực tuyến và điều khiển phân phối bàn ăn qua mạng Wi-Fi và mạng di động 3G/4G.
  4. Đáp ứng các chỉ tiêu vận hành kỹ thuật:
    • Năng suất vận chuyển: Tối đa 3 khay đựng thức ăn và 1 khay chứa vật dụng phụ trợ.
    • Tốc độ di chuyển làm việc ổn định: $0{,}4\text{ m/s}$ (tốc độ tối đa thiết kế $36\text{ m/phút}$).
    • Kích thước tổng thể: Kích thước đế $430 \times 400\text{ mm}$, tổng chiều cao $1050\text{ mm}$.
    • Khả năng chịu tải: Tổng khối lượng tải trọng đạt $25 - 30\text{ kg}$ (bao gồm trọng lượng bản thân robot và thực phẩm).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống robot tự hành phục vụ di chuyển theo cơ chế bám vạch (line-following), tích hợp hệ thống khay chứa thức ăn đa tầng và giao diện điều khiển qua Web Server.
  • Phạm vi không gian: Môi trường trong nhà (indoor) với bề mặt sàn bằng phẳng tại các nhà hàng, quán ăn hoặc quán cà phê.
  • Phạm vi thời gian và giới hạn kỹ thuật:
    • Robot hoạt động theo lộ trình đường line kẻ sẵn trên sàn, không sử dụng thuật toán định vị và xây dựng bản đồ tự do (SLAM).
    • Thuật toán điều hướng xử lý các vị trí bàn ăn theo thứ tự số thứ tự tăng dần từ nhỏ đến lớn, chưa tích hợp thuật toán định tuyến ưu tiên động.
    • Chuyển động của robot chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố cơ chế tiếp xúc thực tế như độ ma sát mặt sàn và hiện tượng trượt bánh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình kỹ thuật

Đề tài xây dựng trên nền tảng lý thuyết cơ học chuyển động robot tự hành, kỹ thuật điều khiển tự động và kỹ thuật lập trình nhúng:

  • Lý thuyết chuyển động học robot di động: Phân tích động học cơ cấu di chuyển bằng bánh xe vi sai; phân loại các cơ cấu dẫn động (cầu trước, cầu sau, hai cầu) và cơ cấu khung thân (thân một trục, thân hai trục, thân bốn trục).
  • Mô hình định vị và dẫn đường: Phân tích các công nghệ dẫn đường robot phục vụ gồm dẫn đường từ trường (dây từ, điểm từ, dải từ), dẫn đường quang học (dò line), dẫn đường laser (phản xạ và tự nhiên), dẫn đường thị giác (Visual Navigation) và dẫn đường quán tính (IMU/Encoder). Đồ án lựa chọn giải pháp dẫn đường quang học bám vạch kẻ kết hợp cảm biến phản xạ hồng ngoại.
  • Lý thuyết điều khiển vòng kín: Ứng dụng giải thuật điều khiển tỉ lệ - tích phân - vi phân (PID) để điều chỉnh vi sai tốc độ hai động cơ bánh chủ động, đảm bảo robot bám sát tâm đường line.
  • Nhân trắc học và trải nghiệm người dùng (UX): Dựa trên dữ liệu nhân trắc học chiều cao trung bình của người Việt Nam (nam $168{,}1\text{ cm}$, nữ $156{,}2\text{ cm}$ theo số liệu năm 2020) và tiêu chuẩn bàn ghế ăn (chiều cao ghế $45\text{ cm}$, bàn $75\text{ cm}$) để tính toán bố trí cao độ khay để thức ăn và màn hình giao tiếp.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

  • Phương pháp thiết kế và mô phỏng số: Sử dụng phần mềm AutoCAD để xây dựng bản vẽ 2D; phần mềm SolidWorks để dựng mô hình 3D tham số hóa. Ứng dụng module SolidWorks Simulation để phân tích ứng suất và độ võng (FEA) trên các kết cấu khay, trục thân và trục động cơ dưới tải trọng tĩnh và động.
  • Phương pháp tính toán động lực học: Thiết lập hệ phương trình cân bằng lực kéo, lực cản lăn, lực quán tính khi tăng tốc nhằm xác định mô-men xoắn và công suất động cơ dẫn động.
  • Phương pháp thực nghiệm và lập trình: Sử dụng môi trường Visual Studio Code (C/C++) để lập trình nhúng cho ESP32 và Arduino UNO R3; thiết kế giao diện Web Server trên nền tảng HTML/CSS/JavaScript; đo đạc thực nghiệm các thông số gia tốc, vận tốc và thời gian chu kỳ giao món.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu nghiên cứu bao gồm thông số kỹ thuật (datasheet) của động cơ DC Planet kèm Encoder quang học, driver công suất XY-160D, module ESP32, Arduino UNO R3, cảm biến TCRT5000, cảm biến siêu âm; các tiêu chuẩn thiết kế bàn ghế ăn; cùng dữ liệu đo đạc thực tế về gia tốc, thời gian đáp ứng và phiếu khảo sát trải nghiệm của nhân viên và khách hàng.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Thiết kế cơ khí và kết cấu động lực học

Cơ cấu chuyển động sử dụng giải pháp dẫn động vi sai cầu trước (Front-Wheel Drive) gồm 2 bánh chủ động phía trước và 2 bánh tự lựa (caster) chịu tải phía sau. Bánh chủ động bằng hợp kim nhôm bọc cao su mềm xẻ rãnh (đường kính $100\text{ mm}$, tải trọng tối đa $50\text{ kg}$), bánh bị động sử dụng lõi thép bọc nhựa PU giúp giảm bán kính quay vòng và tăng tính linh hoạt khi chuyển hướng.

Khung thân robot được thiết kế theo cấu trúc ba trục chịu lực chính, dung hòa giữa độ cứng vững chống rung lắc của thân bốn trục và không gian thao tác lấy thức ăn thông thoáng của thân một/hai trục. Hệ thống khay gồm 4 tầng với 3 khay chứa thức ăn ($430 \times 400\text{ mm}$, sức chứa 3 đĩa/khay) đặt tại các cao độ $35\text{ cm}$, $60\text{ cm}$, $85\text{ cm}$ và 1 khay vật dụng phụ trợ; màn hình LCD đặt ở cao độ $110\text{ cm}$ ngang tầm mắt người ngồi.

Thông số thiết kế Ký hiệu Giá trị tính toán Đơn vị
Tổng khối lượng chịu tải $m$ $25$ $\text{kg}$
Bán kính bánh xe chủ động $R_b$ $0{,}05$ $\text{m}$
Hệ số ma sát lăn $\mu$ $0{,}025$ $-$
Gia tốc trọng trường $g$ $9{,}8$ $\text{m/s}^2$
Gia tốc làm việc của xe $a$ $0{,}2$ $\text{m/s}^2$
Vận tốc tối đa của xe $v$ $0{,}4$ $\text{m/s}$
Hiệu suất truyền động cơ khí $\eta$ $0{,}8$ $-$

Kết quả mô phỏng kiểm định độ bền cơ cấu bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEA) cho thấy ứng suất tập trung lớn nhất xuất hiện tại vị trí ngàm trục động cơ và khớp liên kết trục thân, tuy nhiên giá trị ứng suất này nằm trong giới hạn bền cho phép của vật liệu thép và hợp kim nhôm, bảo đảm kết cấu không bị biến dạng dẻo khi robot chở đầy tải $25 - 30\text{ kg}$.

Thiết kế hệ thống điện và khối chấp hành

Hệ thống điện được chia thành các phân khu chức năng riêng biệt:

  • Khối nguồn: Sử dụng khối Pin 5 Cell cung cấp nguồn động lực $12\text{V} - 24\text{V}$ cho động cơ và mạch công suất; tích hợp module ổn áp hạ áp $5\text{V}-5\text{A}$ WH-468 cấp nguồn cho vi điều khiển và các module cảm biến.
  • Khối chấp hành: Hai động cơ DC giảm tốc Planet tích hợp bộ mã hóa góc quay (Optical Encoder) hai kênh A-B được điều khiển thông qua mạch cầu H công suất Motor Driver XY-160D.
  • Khối cảm biến ngoại vi: Cụm cảm biến quang TCRT5000 bố trí phía dưới gầm trước để nhận dạng vạch dẫn hướng; cảm biến siêu âm phía trước phát hiện chướng ngại vật theo 3 vùng (cảnh báo từ xa, giảm tốc tầm trung và ngắt dừng khẩn cấp); cảm biến hồng ngoại xác định vị trí dừng mốc bàn; màn hình LCD 1602 hiển thị trạng thái làm việc.
       [ Giao diện Web Server (Điện thoại / Laptop) ]
                        (Sóng Wi-Fi)
                   [ Module MCU ESP32 ]
           (Web Server, Quản lý tác vụ & Định tuyến)
                    (Giao tiếp UART / Serial)
                 [ Module Arduino UNO R3 ]
           (Xử lý thời gian thực & Thuật toán PID)
   [ Cụm TCRT5000 / IMU ] [ Driver XY-160D ] [ LCD 1602 ]
     (Dò line & Mốc bàn)    (2x DC Planet)    (Hiển thị)

Kiến trúc điều khiển phân tầng và giải thuật

Hệ thống điều khiển áp dụng mô hình phân tán xử lý hai cấp nhằm tối ưu hóa tài nguyên phần cứng:

  • Tầng quản lý truyền thông (ESP32): Khởi tạo Web Server nội mạng, tiếp nhận lệnh đặt bàn và cấu hình thông số từ trình duyệt; đóng gói và truyền mã lệnh điều khiển xuống bo mạch Arduino thông qua giao thức truyền thông nối tiếp UART/Serial.
  • Tầng điều khiển thời gian thực (Arduino UNO R3): Tiếp nhận dữ liệu xung từ Encoder và trạng thái logic từ thanh cảm biến dò line TCRT5000. Áp dụng thuật toán PID vi sai tốc độ để điều biến độ rộng xung (PWM) đến Driver XY-160D nhằm giữ cho robot chuyển động êm ái bám sát tâm vạch. Đồng thời thực thi thuật toán xác định vị trí bàn (Table_pos) để dừng và trả khay chính xác.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu về đề tài

Chương 1 làm rõ tính cấp thiết của việc tự động hóa dịch vụ phục vụ trong ngành ẩm thực và nhà hàng. Nhóm tác giả tổng hợp tình hình chuyển dịch công nghệ từ lao động bưng bê thủ công sang robot tự hành nhằm giải quyết bài toán chi phí vận hành và hạn chế tiếp xúc trực tiếp. Chương này xác định rõ mục tiêu chế tạo mô hình robot hoàn chỉnh có khả năng bưng bê 3 khay thức ăn, kích thước tổng thể $430 \times 400 \times 1050\text{ mm}$, tốc độ làm việc $0{,}4\text{ m/s}$, điều khiển qua Web Server trên nền tảng vi điều khiển ESP32 và Arduino UNO R3. Đồng thời, chương 1 xác lập phạm vi nghiên cứu, giới hạn hoạt động theo tuyến line cố định và phương pháp tiếp cận thiết kế bằng CAD/CAE kết hợp lập trình nhúng C/C++.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp tổng quan học thuật toàn diện về robot tự hành phục vụ. Nội dung đi sâu phân loại các dạng chuyển động (robot chân và robot bánh xe), phân tích chi tiết các cơ cấu dẫn đường (đường dẫn từ, đường ray, băng kẻ vạch quang học) và đánh giá ưu nhược điểm của 7 phương pháp điều hướng hiện đại:

  1. Điều hướng điện từ / điểm từ.
  2. Điều hướng dải băng từ.
  3. Điều hướng laser (phản xạ và tự nhiên).
  4. Điều hướng thị giác (Visual Navigation).
  5. Định vị vệ tinh toàn cầu (GPS).
  6. Điều hướng quán tính (Inertial Navigation).
  7. Điều hướng hỗn hợp (Hybrid Navigation).

Chương 2 cũng phân tích cấu trúc phần cứng tổng thể cấu thành một robot tự hành tiêu chuẩn gồm: bộ phận dò đường, hệ thống cảm biến an toàn 3 vùng cảnh báo, driver và động cơ, module thu phát sóng không dây, nguồn pin, bộ điều khiển trung tâm, cảm biến vị trí, kết cấu cơ khí và giao diện tương tác người - máy (HMI).

Chương 3: Tính toán thiết kế hệ thống cơ khí

Chương 3 trình bày chi tiết quy trình thiết kế phần cứng cơ khí từ dữ liệu nhân trắc học đến mô phỏng số:

  • Phân tích trải nghiệm khách hàng: Căn cứ dữ liệu chiều cao người trưởng thành Việt Nam và tiêu chuẩn bàn ghế để thiết lập cao độ 3 khay chứa thức ăn ($35\text{ cm}$, $60\text{ cm}$, $85\text{ cm}$) và khay phụ trợ, tối ưu hóa kích thước khay $430 \times 400\text{ mm}$ đủ diện tích đặt 3 đĩa thức ăn.
  • Lựa chọn hệ dẫn động: So sánh kỹ thuật giữa dẫn động cầu trước, cầu sau và hai cầu; chọn dẫn động vi sai cầu trước kết hợp 2 bánh tự lựa caster phía sau để tối ưu hóa góc quay và độ chính xác khi bám line.
  • Lựa chọn kết cấu khung thân: Đánh giá các mô hình thân một trục, hai trục, bốn trục và đề xuất phương án khung thân ba trục tối ưu về độ cứng vững, giảm rung chấn và thuận tiện thao tác đặt/lấy đĩa.
  • Tính toán động lực học: Xác định các thông số khối lượng ($m = 25\text{ kg}$), gia tốc ($a = 0{,}2\text{ m/s}^2$), hệ số ma sát ($\mu = 0{,}025$) để lựa chọn động cơ DC giảm tốc Planet phù hợp.
  • Kiểm định độ bền cơ cấu (FEA): Sử dụng SolidWorks Simulation phân tích ứng suất Von-Mises và chuyển vị biến dạng tĩnh trên khay chứa, trục thân, trục động cơ và toàn bộ khung gầm robot.

Chương 4: Thiết kế hệ thống điện - điều khiển

Chương 4 hoàn thiện thiết kế phần điện, giải thuật điều khiển, gia công lắp ráp và đánh giá thực nghiệm:

  • Thiết kế mạch điện: Sơ đồ khối đấu nối giữa khối nguồn Pin 5 Cell, module ổn áp $5\text{V}-5\text{A}$ WH-468, mạch công suất XY-160D, MCU ESP32, Arduino UNO R3, LCD 1602 và cụm cảm biến TCRT5000, siêu âm, hồng ngoại.
  • Xây dựng hệ thống Web Server: Lập trình giao diện điều khiển trên ESP32 cho phép truy cập qua thiết bị di động/máy tính để phát lệnh bàn phục vụ.
  • Xây dựng giải thuật điều khiển: Thiết lập lưu đồ thuật toán điều khiển chính trên ESP32, lưu đồ truyền nhận dữ liệu liên vi điều khiển qua giao tiếp nối tiếp, lưu đồ thuật toán điều khiển bám line sử dụng bộ điều khiển PID tốc độ (follow_line) và giải thuật dừng đỗ đúng vị trí mốc bàn (Table_pos).
  • Gia công, lắp ráp và thử nghiệm: Quy trình chế tạo khung vỏ cơ khí, bố trí bảng điện, lắp ráp tổng thành mô hình thực tế và tiến hành đo đạc thực nghiệm các chỉ tiêu gia tốc khi tăng/giảm tốc, thời gian di chuyển giữa các bàn, cùng kết quả khảo sát phản hồi của nhân viên và thực khách.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật chính

Đồ án đã chế tạo thành công mô hình robot tự hành phục vụ bàn hoàn chỉnh với các thông số kỹ thuật được kiểm chứng qua thực nghiệm:

  • Chế tạo hoàn chỉnh kết cấu cơ khí khung thân 3 trục với 4 tầng khay, kích thước bao $430 \times 400 \times 1050\text{ mm}$, tải trọng vận hành ổn định đạt $25\text{ kg}$.
  • Vận tốc di chuyển danh định đạt $0{,}4\text{ m/s}$, khả năng tăng tốc mượt mà với gia tốc $a = 0{,}2\text{ m/s}^2$, hạn chế tối đa hiện tượng rung lắc gây tràn nước hoặc đổ thức ăn trên khay.
  • Triển khai thành công hệ thống điều khiển phân tầng: ESP32 vận hành ổn định Web Server nội bộ cho phép nhận lệnh điều phối bàn từ điện thoại/máy tính; Arduino UNO R3 thực thi chính xác giải thuật PID bám vạch kẻ và xử lý tín hiệu cảm biến an toàn dừng khẩn cấp khi gặp vật cản.
  • Đo đạc thực nghiệm ghi nhận đầy đủ các thông số động học của robot trong quá trình tăng tốc đến vận tốc ổn định, quá trình giảm tốc dừng đỗ và thời gian hoàn thành chu trình phục vụ giữa các vị trí bàn thực tế.
Hạng mục hệ thống Thành phần phần cứng / Thông số kỹ thuật Chức năng / Chỉ số thực nghiệm
Cơ cấu khung thân Cấu trúc 3 trục chịu lực, 4 tầng khay ($430 \times 400\text{ mm}$) Chịu tải $25 - 30\text{ kg}$, chiều cao khay $35, 60, 85\text{ cm}$
Cơ cấu truyền động 2 bánh chủ động nhôm bọc cao su $\varnothing 100\text{ mm}$, 2 bánh caster PU Dẫn động vi sai cầu trước, vận tốc $0{,}4\text{ m/s}$
Động cơ & Công suất Động cơ DC Planet kèm Optical Encoder + Driver XY-160D Điều khiển vi sai tốc độ, hồi tiếp xung vị trí
Xử lý trung tâm Module MCU ESP32 kết hợp Arduino UNO R3 Web Server điều phối và thực thi thuật toán PID bám line
Cảm biến an toàn Cụm TCRT5000, cảm biến siêu âm, cảm biến hồng ngoại Dò vạch dẫn hướng, phát hiện vật cản 3 vùng an toàn
Nguồn cung cấp Pin 5 Cell + Module ổn áp $5\text{V}-5\text{A}$ WH-468 Cấp nguồn động lực $12 - 24\text{V}$ và điều khiển $5\text{V}$

Giải pháp và đóng góp của đề tài

  • Giải pháp kết cấu tối ưu: Đề xuất và kiểm chứng thành công kết cấu khung thân 3 trục kết hợp dẫn động cầu trước, giải quyết hài hòa bài toán chống rung lắc và tạo không gian thuận lợi cho khách hàng lấy món so với các dạng khung thân 1 trục hay 4 trục truyền thống.
  • Giải pháp phân tầng điều khiển chi phí thấp: Xây dựng mô hình phối hợp giữa vi điều khiển hiệu năng cao có tích hợp Wi-Fi (ESP32) và vi điều khiển điều khiển phần cứng chuyên dụng (Arduino UNO R3), giúp hạ giá thành sản xuất mà vẫn bảo đảm độ tin cậy trong điều khiển thời gian thực và quản lý từ xa qua Web Server.
  • Tối ưu trải nghiệm dựa trên nhân trắc học: Thiết kế hệ thống khay chứa và màn hình giao tiếp dựa trên số liệu thực tế về nhân trắc học người Việt Nam và chuẩn kích thước bàn ghế nhà hàng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế kỹ thuật

  1. Phương pháp dẫn đường: Robot phụ thuộc hoàn toàn vào vạch kẻ dẫn hướng cố định trên sàn nhà, chưa có khả năng tự động lập bản đồ môi trường hoặc tự tìm đường vòng tránh vật cản linh hoạt khi đường line bị chặn.
  2. Thuật toán điều phối: Giải thuật lập lịch phục vụ bàn chỉ xử lý tuần tự theo số thứ tự bàn tăng dần từ nhỏ đến lớn, chưa hỗ trợ chế độ ưu tiên phục vụ động theo thời gian đặt món hoặc khoảng cách tối ưu.
  3. Độ ổn định tiếp xúc cơ học: Trong các điều kiện bề mặt sàn trơn trượt hoặc không bằng phẳng, hiện tượng trượt bánh vẫn xảy ra gây sai số tích lũy cho bộ mã hóa xung (Encoder) và làm lệch hướng di chuyển tạm thời.

Hướng phát triển tiếp theo

  • Nâng cấp hệ thống điều hướng thông minh bằng cách tích hợp cảm biến LiDAR và thuật toán SLAM (Simultaneous Localization and Mapping), cho phép robot di chuyển không cần đường line và tự động tránh vật cản động.
  • Nâng cấp thuật toán lập lịch tối ưu (như thuật toán Dijkstra hoặc A*) trên giao diện Web Server để tự động tính toán lộ trình phục vụ bàn ưu tiên.
  • Mở rộng các tính năng tương tác người - máy thông qua nhận dạng giọng nói, bổ sung thanh toán điện tử tại bàn và cải thiện thuật toán kiểm soát trượt bánh nhằm tăng tính ổn định công nghiệp.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án tốt nghiệp là nguồn tư liệu kỹ thuật thực nghiệm có giá trị tham khảo cao đối với:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Robot và Tự động hóa: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình tính toán động lực học cơ cấu bánh xe vi sai, phương pháp phân tích ứng suất kết cấu bằng phần mềm SolidWorks Simulation, và kỹ thuật thiết kế mạch nhúng điều khiển hai cấp (ESP32 - Arduino).
  • Kỹ sư phát triển hệ thống AGV/AMR: Đáng tham khảo tại Chương 3 (tính toán lựa chọn động cơ, bánh xe, phân tích lực) và Chương 4 (lưu đồ thuật toán bám line PID, giải thuật truyền thông UART liên vi điều khiển và thiết kế giao diện Web Server nhúng).
  • Các đơn vị nghiên cứu ứng dụng dịch vụ: Tham khảo các số liệu tính toán nhân trắc học bố trí khay phục vụ và phương thức triển khai robot dịch vụ chi phí thấp phù hợp với điều kiện cơ sở hạ tầng nhà hàng tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao nhóm tác giả lựa chọn cấu trúc khung thân ba trục thay vì thân một trục hoặc bốn trục?

Căn cứ vào phân tích so sánh ở Chương 3, thân một trục (như mô hình Segway ServeBot S1) yêu cầu tiết diện vật liệu lớn, khó gia công và chi phí cao; thân hai trục (như Pendubot) dễ bị rung lắc khay thức ăn khi di chuyển; thân bốn trục (như khung AGV) tuy chắc chắn nhưng hạn chế đáng kể không gian đưa tay vào đặt/lấy đĩa của khách hàng. Cấu trúc thân ba trục được nhóm thiết kế nhằm dung hòa các yếu tố: đảm bảo độ bền vững kết cấu, hạn chế rung chấn, giữ tính thẩm mỹ và tạo khoảng trống thao tác thuận tiện cho người dùng.

2. Hệ thống phân chia nhiệm vụ giữa vi điều khiển ESP32 và Arduino UNO R3 như thế nào?

Hệ thống sử dụng kiến trúc phân tầng:

  • ESP32: Đóng vai trò là bộ quản lý truyền thông không dây, khởi tạo Web Server cho phép người dùng/nhân viên truy cập qua Wi-Fi hoặc 3G/4G trên điện thoại/máy tính để gửi lệnh chọn bàn, sau đó đóng gói dữ liệu và truyền xuống qua cổng giao tiếp nối tiếp UART.
  • Arduino UNO R3: Đóng vai trò là bộ điều khiển chấp hành thời gian thực, trực tiếp đọc tín hiệu xung từ Encoder, xử lý tín hiệu cảm biến dò line TCRT5000, tính toán giải thuật PID tốc độ động cơ và xuất xung PWM điều khiển mạch cầu H XY-160D.

3. Các khay chứa thức ăn được bố trí ở những cao độ nào và dựa trên cơ sở khoa học nào?

Ba khay chứa thức ăn được bố trí ở các độ cao lần lượt là $35\text{ cm}$, $60\text{ cm}$ và $85\text{ cm}$; màn hình LCD hiển thị được đặt tại độ cao $110\text{ cm}$. Thiết kế này dựa trên nghiên cứu nhân trắc học chiều cao trung bình của người Việt Nam năm 2020 (nam $168{,}1\text{ cm}$, nữ $156{,}2\text{ cm}$), kết hợp với tiêu chuẩn chiều cao ghế ngồi ($45\text{ cm}$) và mặt bàn ăn ($75\text{ cm}$) nhằm tối ưu hóa tầm với tay và tầm nhìn của thực khách khi ngồi tại bàn.

4. Hệ thống cảm biến an toàn của robot hoạt động theo nguyên lý nào để tránh va chạm?

Robot sử dụng cảm biến siêu âm phát hiện chướng ngại vật phía trước với không gian làm việc chia thành 3 vùng khoảng cách từ xa đến gần: vùng 1 (cảnh báo), vùng 2 (giảm tốc độ di chuyển) và vùng 3 (ngắt động cơ, dừng khẩn cấp). Ngoài ra, robot còn tích hợp cảm biến chống va chạm để ngắt nguồn tức thì khi có tác động ngoại lực trực tiếp, đảm bảo an toàn cho thực khách và nhân viên.

5. Robot xử lý thứ tự di chuyển đến các bàn phục vụ như thế nào trong phiên bản hiện tại?

Theo giới hạn kỹ thuật được trình bày trong Chương 1 và Chương 4, thuật toán định tuyến hiện tại của robot chỉ cho phép di chuyển và dừng trả món theo thứ tự số bàn tăng dần (từ bàn có số nhỏ đến bàn có số lớn), chưa hỗ trợ tính năng thay đổi thứ tự ưu tiên động theo yêu cầu thời gian thực.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot phục vụ món ăn và tương tác với khách hàng trong nhà hàng" đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu và chế tạo thành công mô hình robot tự hành thực tế đáp ứng tải trọng $25\text{ kg}$ và tốc độ $0{,}4\text{ m/s}$. Đề tài nổi bật với giải pháp kết cấu thân ba trục tối ưu theo nhân trắc học, hệ dẫn động vi sai cầu trước vững chắc và kiến trúc điều khiển phân tầng hiệu quả giữa ESP32 (Web Server) và Arduino UNO R3 (PID bám line). Mặc dù còn hạn chế về khả năng tự định tuyến tự do không đường line, công trình đã chứng minh tính khả thi kỹ thuật rõ ràng và cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm quan trọng cho việc phát triển các dòng robot dịch vụ phục vụ đời sống.