Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển của khoa học công nghệ, các thuật toán lập trình và trí tuệ nhân tạo đang dần đưa robot từ môi trường nhà xưởng, công nghiệp bước vào không gian trường học và đời sống gia đình. Nhiều nghiên cứu thực tiễn đã chỉ ra rằng robot không đơn thuần đóng vai trò là một thiết bị giải trí mà còn có tác động trực tiếp đến sự phát triển nhận thức, cảm xúc và kỹ năng xã hội của trẻ nhỏ. Thực trạng hiện nay cho thấy trẻ em tiếp xúc sớm với các thiết bị thông minh như điện thoại di động nhưng chủ yếu phục vụ nhu cầu chơi trò chơi điện tử thụ động, dễ dẫn đến những nguy cơ tiêu cực về mặt tâm lý như tự kỷ, suy giảm khả năng tương tác trực tiếp. Xuất phát từ thực tiễn đó, đồ án tốt nghiệp "Thiết kế robot hỗ trợ trẻ em học tập" được thực hiện nhằm định hướng trẻ tiếp cận công nghệ theo phương thức "học mà chơi, chơi mà học", đồng thời giúp phụ huynh kiểm soát và tối ưu hóa thời gian sử dụng thiết bị của con em.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án bao gồm:

  1. Tìm hiểu tổng quan về các module phần cứng: vi điều khiển Arduino, mạch điều khiển động cơ Motor Driver Shield L293D, module truyền thông Bluetooth HC-05, cảm biến siêu âm SRF-04 và động cơ Servo SG90.
  2. Viết chương trình điều khiển và thiết lập giao tiếp đồng bộ giữa các thành phần phần cứng gồm Arduino, Shield L293D, cảm biến siêu âm, động cơ servo và module Bluetooth.
  3. Thiết kế và lập trình ứng dụng giáo dục mầm non trên thiết bị di động chạy hệ điều hành Android bằng môi trường Android Studio.
  4. Thiết lập liên lạc dữ liệu không dây hai chiều giữa vi xử lý Arduino và ứng dụng di động thông qua giao thức Bluetooth.

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định qua 9 nội dung:

  • Nội dung 1: Tìm hiểu ưu điểm, nhược điểm của mô hình robot trong việc giáo dục trẻ tại các trường mầm non.
  • Nội dung 2: Đề xuất giải pháp khắc phục, thiết kế mô hình cơ khí và các khối điều khiển chức năng phù hợp.
  • Nội dung 3: Thiết kế và thi công mạch giao tiếp cho vi điều khiển Arduino với Motor Driver Shield L293D, Servo SG90 và cảm biến siêu âm SRF-04.
  • Nội dung 4: Thiết kế và thi công mạch giao tiếp giữa vi điều khiển với module Bluetooth HC-05 và thiết bị di động.
  • Nội dung 5: Xây dựng thuật toán và viết chương trình nhúng cho hệ thống vi điều khiển trên phần mềm Arduino IDE.
  • Nội dung 6: Thiết kế giao diện và lập trình ứng dụng di động trên nền tảng Android Studio.
  • Nội dung 7: Lắp ráp cơ khí, kết nối các khối mạch điện và tiến hành chạy thử nghiệm toàn bộ hệ thống.
  • Nội dung 8: Phát hiện, phân tích và hiệu chỉnh các lỗi phần cứng, phần mềm phát sinh trong quá trình thử nghiệm.
  • Nội dung 9: Tổng hợp kết quả và hoàn thiện báo cáo đồ án tốt nghiệp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống robot di động 4 bánh tránh vật cản tự động kết hợp với ứng dụng di động hỗ trợ giáo dục mầm non.
  • Đối tượng thụ hưởng: Trẻ em trong độ tuổi từ 2 đến 5 tuổi.
  • Phạm vi không gian: Hoạt động trong môi trường trong nhà, lớp học mầm non hoặc không gian gia đình có bề mặt sàn bằng phẳng.
  • Phạm vi thời gian: Nghiên cứu và thi công thực tế từ ngày 20/03/2018 đến ngày 12/07/2018 tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y sinh, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án được xây dựng dựa trên sự giao thoa giữa tâm sinh lý phát triển trẻ em và các nguyên lý kỹ thuật điện tử, viễn thông và công nghệ phần mềm:

  • Cơ sở phát triển thể chất và tâm sinh lý trẻ em từ 2 đến 5 tuổi: Đồ án áp dụng các chỉ số y học đánh giá sự tăng trưởng của trẻ. Chiều cao ước tính được xác định theo công thức $X = 75\text{ cm} + 5\text{ cm} \times (N - 1)$ (với $N$ là số tuổi lớn hơn 1). Cân nặng được tính toán theo độ tuổi tháng ($n$) qua công thức $P = P_{\text{sơ sinh}} + 600(n)$ (dưới 6 tháng) hoặc $P = P_{\text{sơ sinh}} + 500(n)$ (trên 6 tháng). Đường kính vòng đầu tính theo chiều cao $PC = T/2 + 10$ (đạt 45 - 50 cm ở mốc 5 tuổi). Về mặt tâm lý, tác giả dẫn luận nhận định của nhà giáo dục A.S. Makarenko khẳng định 90% nền tảng giáo dục hình thành trước 5 tuổi; giai đoạn này trẻ hoàn thiện vận động tinh của bàn tay, phát triển mạnh ngôn ngữ, có nhu cầu giao tiếp xã hội và tiếp thu kiến thức tốt nhất thông qua các trò chơi tương tác có kịch bản.
  • Lý thuyết hệ điều hành Android: Khung kiến trúc 4 lớp gồm Nhân Linux (Linux kernel 3.6), Thư viện hệ thống (Android Libraries) và máy ảo Dalvik (Dalvik Virtual Machine - DVM), Tầng khung ứng dụng (Application Framework) với các dịch vụ quản lý Activity Manager, Content Providers, Resource Manager, Notifications Manager, View System, và Tầng ứng dụng (Applications).
  • Lý thuyết truyền thông vô tuyến Bluetooth: Hoạt động tại dải tần ISM 2.4 - 2.48 GHz với cấu trúc mạng piconet dạng Master/Slave, quản lý qua địa chỉ phần cứng 48-bit BD_ADDR, tuân theo tiến trình 3 bước gồm Truy vấn (Inquiry), Tạo liên kết (Paging) và Kết nối (Connection).
  • Nguyên lý điều chế độ rộng xung (PWM): Áp dụng điều khiển tốc độ và hướng quay của động cơ DC thông qua công thức tính điện áp trung bình đặt lên tải $U_d = U_{\max} \times (t_0 / T) = U_{\max} \times D$ (trong đó $D$ là hệ số công tác - duty cycle).

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập cơ sở lý thuyết tâm sinh lý trẻ mầm non, cấu trúc phần cứng vi xử lý ATmega328, tập lệnh điều khiển driver L293D và tài liệu phát triển phần mềm Android SDK.
  • Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật: Tính toán tải trọng cơ học, mô-men xoắn của động cơ truyền động, và cân bằng dòng - áp tiêu thụ của toàn bộ linh kiện nhằm lựa chọn dung lượng nguồn cấp phù hợp.
  • Phương pháp thực nghiệm và kiểm thử: Thi công chế tạo mô hình mẫu, đo đạc phản hồi thực tế của cảm biến siêu âm trong dải 3 - 300 cm, kiểm tra độ nhạy kết nối Bluetooth và vận hành thử nghiệm toàn bộ các màn hình chức năng của ứng dụng Android trên thiết bị thật.

Nguồn dữ liệu sử dụng:

  • Các số liệu chuẩn y tế về phát triển thể chất trẻ em từ các tài liệu tham khảo chuyên ngành.
  • Tài liệu kỹ thuật phần cứng (datasheets) của vi điều khiển ATmega328, vi mạch L293D, IC ghi dịch 74HC595, module HC-05, cảm biến siêu âm SRF-04 và động cơ Servo SG90.
  • "Giáo trình lập trình Android Cơ Bản" của ThS. Nguyễn Văn Hiệp và Đinh Quang Hiệp (Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP.HCM).

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế dạng mô hình xe robot 4 bánh kết nối trực tiếp với điện thoại thông minh qua đường truyền vô tuyến:

Thành phần phần cứng Thông số kỹ thuật và linh kiện triển khai Chức năng trong hệ thống
Bộ xử lý trung tâm Arduino Uno R3 (Vi điều khiển ATmega328, 16 MHz, 14 Digital I/O, 6 Analog) Xử lý dữ liệu cảm biến, nhận lệnh Bluetooth, xuất xung PWM điều khiển
Mạch lái công suất Motor Driver Shield L293D (2 IC cầu H L293D, 1 IC logic 74HC595, 600mA/kênh) Khuếch đại công suất điều khiển 4 động cơ DC và cấp tín hiệu điều khiển servo
Khối truyền động 4 Động cơ DC giảm tốc V1 (Điện áp 3 - 12VDC, tỉ số truyền 1:48, mô-men xoắn 0.8 kg.cm) Dẫn động 4 bánh xe cao su đường kính 65 mm để tiến, lùi, rẽ hướng
Khối dò chướng ngại vật Cảm biến siêu âm SRF-04 (Tần số 40 kHz, khoảng cách đo 3 - 300 cm) Đo cự ly vật cản thông qua độ rộng xung phản hồi tại chân Echo
Khối quét góc Động cơ Servo SG90 (Trọng lượng 9g, góc quay 0° - 180°, tốc độ 60°/0.1s) Xoay cảm biến siêu âm sang trái và phải để mở rộng góc quét chướng ngại vật
Khối truyền thông Module Bluetooth HC-05 (Băng tần 2.4 GHz, UART baudrate 38400, PIN "0000") Tiếp nhận chuỗi lệnh điều khiển từ ứng dụng Android gửi xuống vi điều khiển
Nguồn năng lượng 3 cell pin Lithium Ion 18650 Shuangdi (Điện áp 3.7V/cell, sạc đầy 4.2V, dung lượng 3000mAh) Mắc nối tiếp tạo nguồn ~11.1V - 12V cấp cho toàn bộ board mạch và động cơ
Khung vỏ cơ khí Tấm Mica gia công định hình (Kích thước bao 24 cm x 18 cm, chịu nhiệt tới 80°C) Đỡ toàn bộ linh kiện phần cứng và giá gắn điện thoại an toàn cho trẻ

Khối lượng và dòng tiêu thụ danh định của hệ thống được tính toán như sau:

Linh kiện Khối lượng (g) Dòng tiêu thụ danh định (mA) Điện áp hoạt động (V)
Khung mô hình mica 100.0 - -
Mạch Arduino Uno R3 25.0 15 5 - 12
Cảm biến SRF-04, Servo, gá đỡ 11.3 50 (SRF-04) + 550 (Servo) 5
Motor Driver Shield L293D 32.0 70 5 - 36
Module Bluetooth HC-05 20.0 50 3.3 - 5
Điện thoại thông minh 141.0 Tự dùng pin trong máy -
Ốc vít và dây nối 10.0 - -
4 Động cơ DC giảm tốc V1 200.0 (4 x 50) 560 (4 x 140) 3 - 12
3 Cell pin sạc Li-ion 18650 102.0 (3 x 34) Nguồn cung cấp 11.1 (trung bình)
Tổng cộng 650.3 g 1295 mA (1.295 A) Bộ nguồn 3 cell 3000mAh

Thiết kế phần mềm và giải thuật:

  • Phần mềm vi điều khiển: Viết trên nền tảng Arduino IDE. Giải thuật chính gồm vòng lặp quét chân Trigger của SRF-04 bằng xung mức cao 10 µs, tính khoảng cách theo công thức $s = (t \times v) / 2 = (t \times 0.034) / 2$. Khi cự ly nhỏ hơn ngưỡng an toàn, hệ thống dừng xe, điều khiển Servo SG90 quay sang góc trái và phải để cảm biến lấy mẫu cự ly hai bên, so sánh và đưa ra quyết định rẽ về hướng có khoảng cách thông thoáng hơn.
  • Phần mềm ứng dụng Android ("Bé Học Mẫu Giáo"): Được lập trình bằng ngôn ngữ Java trên Android Studio, thiết kế gồm 13 màn hình trực quan:
    • Màn hình 1: Giao diện khởi động với hình nền, nút "Bắt đầu" và nút "Thoát".
    • Màn hình 2: Bảng chọn chức năng chính (Bé học chữ, Bé học hình dạng, Bé học số, Bé học con vật, Bé luyện chữ, Bé luyện hình dạng, Bé luyện số, Bé luyện con vật, Nghe truyện cổ tích).
    • Màn hình 3: Lựa chọn ngôn ngữ học chữ cái giữa "Chữ cái Tiếng Anh" và "Chữ cái Tiếng Việt".
    • Màn hình 4 và 5: Giao diện học chữ cái Tiếng Anh và Tiếng Việt với danh sách hình ảnh trượt cuộn, tích hợp âm thanh phát âm tương ứng từng chữ cái khi nhấn chọn.
    • Màn hình 6, 7, 8: Giao diện học hình dạng cơ bản (hình tròn, vuông, tam giác), học chữ số trong phạm vi từ 0 đến 39, và học các con vật quen thuộc có phát âm song ngữ Anh - Việt.
    • Màn hình 9, 10, 11, 12: Giao diện luyện tập trắc nghiệm hình ảnh (chữ, số, hình dạng, con vật) có các nút điều hướng "Next" và "Previous".
    • Màn hình 13: Giao diện nghe truyện cổ tích dân gian và lịch sử Việt Nam với các phím chức năng Play, Stop và TextView hiển thị tên câu chuyện.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này nêu bật tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh cuộc Cách mạng Công nghệ và xu thế tự động hóa giáo dục. Tác giả chỉ ra giải pháp đưa robot giáo dục vào đời sống nhằm ươm mầm khoa học kỹ thuật cho trẻ mầm non thông qua hình thức học tập trực quan. Chương 1 xác định rõ 4 mục tiêu nghiên cứu, phân rã quy trình thành 9 nội dung thực hiện cụ thể, đồng thời vạch ra phạm vi giới hạn của đề tài: robot sử dụng 4 bánh dẫn động bởi động cơ DC điều khiển qua Arduino Uno R3 và Shield L293D; cảm biến siêu âm SRF-04 gắn trên servo SG90 đảm nhận việc nhận diện vật cản; ứng dụng di động được xây dựng chuyên biệt trên môi trường Android Studio.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương tập trung hệ thống hóa 4 mảng lý thuyết nền tảng:

  • Lý thuyết phát triển thể chất và tâm lý trẻ từ 2 đến 5 tuổi: Cung cấp các công thức tính toán chiều cao, cân nặng, vòng đầu; phân tích quá trình hình thành cảm xúc, ngôn ngữ và khả năng tiếp thu ngoại ngữ của trẻ. Tác giả làm rõ 3 hình thức tương tác giữa trẻ và thiết bị: tương tác có kịch bản định sẵn, giáo viên can thiệp từ xa, và trẻ em trực tiếp điều khiển.
  • Khái quát hệ điều hành Android: Lịch sử phát triển từ Android Inc đến Google, các mốc phát hành phiên bản (từ 1.0 đến Android 6.0 Marshmallow), ưu điểm về mã nguồn mở, kho ứng dụng và nhược điểm phân mảnh. Phân tích chi tiết kiến trúc ngăn xếp 4 lớp và vai trò của các thư viện hệ thống (android.app, android.content, android.database, android.view, android.widget).
  • Công nghệ truyền thông không dây Bluetooth: Khái niệm dải tần ISM 2.4 GHz, cấu trúc địa chỉ 48-bit BD_ADDR, chế độ Master/Slave và các bước thiết lập liên kết (Inquiry - Paging - Connection).
  • Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM): Trình bày biểu đồ xung, định nghĩa hệ số chu kỳ (duty cycle) và công thức xác định điện áp tải trung bình $U_d$ phục vụ điều tốc động cơ.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 trình bày chi tiết bản vẽ sơ đồ khối và tính toán thông số kỹ thuật cho từng khối chức năng:

  • Thiết kế cơ khí: Lựa chọn vật liệu mica với kích thước 24 cm x 18 cm, chịu nhiệt độ tối đa 80°C, nhẹ và có độ an toàn cơ học cho trẻ.
  • Tính toán khối động cơ: Dựa trên tổng khối lượng toàn bộ linh kiện là 650.3 g, nhóm tính toán chọn 4 động cơ DC giảm tốc V1 (tỉ số 1:48, mô-men xoắn 0.8 kg.cm) kết hợp bánh xe đường kính 65 mm để đảm bảo lực kéo tải. Phân tích sơ đồ nguyên lý Motor Driver Shield L293D dùng IC 74HC595 điều khiển các chân Digital 3, 5, 6, 11 của Arduino.
  • Khối cảm biến và vi điều khiển: Sử dụng cảm biến SRF-04 với dải đo 3 - 300 cm, tính toán giản đồ thời gian xung Echo (vận tốc sóng âm $v = 340\text{ m/s}$ tương đương $0.034\text{ cm/µs}$) để suy ra cự ly. Kết nối cảm biến với Servo SG90 gắn vào chân PWM 9 của vi điều khiển ATmega328.
  • Khối giao tiếp và nguồn: Lập bảng chức năng các chân module HC-05 (TX, RX, STATE, ENABLE), tính toán tổng dòng điện tiêu thụ toàn hệ thống ở mức tải danh định là 1.295 A, từ đó chọn bộ 3 cell pin Li-ion 18650 Shuangdi (3.7V - 3000mAh) mắc nối tiếp cung cấp điện áp xấp xỉ 12V.
  • Thiết kế giao diện ứng dụng: Trình bày cấu trúc bố cục đồ họa của 13 màn hình giao diện từ khởi động, các mục học chữ cái, học đếm số từ 0 đến 39, hình dạng, con vật đến giao diện luyện tập và nghe truyện cổ tích.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả quy trình hiện thực hóa mô hình từ bản vẽ kỹ thuật:

  • Thi công cơ khí và phần cứng: Cắt ghép khung xe bằng mica, lắp đặt 4 động cơ DC kèm gá đỡ bánh xe, gắn cảm biến SRF-04 lên trục servo SG90 ở mặt trước thân xe; lắp ráp xếp chồng Shield L293D lên board Arduino Uno R3, bố trí module Bluetooth HC-05 và khối pin 18650 gọn gàng trong thân robot.
  • Xây dựng phần mềm nhúng: Xây dựng các lưu đồ giải thuật cho chương trình chính, lưu đồ đọc dữ liệu cảm biến siêu âm SRF-04, lưu đồ xử lý khoảng cách, giải thuật dò tìm hướng di chuyển an toàn và các chương trình con rẽ trái, rẽ phải. Thực hiện lập trình, biên dịch và nạp code cho vi điều khiển qua Arduino IDE.
  • Lập trình ứng dụng di động: Sử dụng Android Studio thiết kế giao diện bằng XML và viết mã xử lý bằng Java; hiện thực hóa luồng chuyển đổi giữa các Activity, lập trình xử lý sự kiện cảm ứng trên các nút bấm, thiết lập thư viện phát âm thanh và quản lý kết nối cổng nối tiếp ảo qua Bluetooth.

Chương 5: Kết quả, nhận xét, đánh giá

Tổng kết các kết quả đạt được sau quá trình thi công và thử nghiệm:

  • Về phần cứng: Chế tạo thành công mô hình robot vật lý hoàn chỉnh, kết cấu cơ khí vững chắc, bảo vệ an toàn cho các linh kiện điện tử bên trong; xe vận hành ổn định trên bề mặt phẳng, động cơ đáp ứng tốt lực kéo; cảm biến siêu âm kết hợp servo nhận diện vật cản chính xác và thực hiện tránh va chạm đúng thuật toán.
  • Về phần mềm: Hoàn thành ứng dụng "Bé Học Mẫu Giáo" trên nền Android, giao diện thân thiện với trẻ nhỏ; truyền nhận dữ liệu điều khiển qua Bluetooth đạt độ ổn định cao, phát âm thanh chuẩn xác và chuyển đổi mượt mà giữa chế độ di chuyển và chế độ học tập.
  • Nhận xét - Đánh giá: Hệ thống đáp ứng đúng các chỉ tiêu thiết kế ban đầu; tuy nhiên tốc độ quét chướng ngại vật phụ thuộc vào thời gian quay của servo, đồng thời nguồn pin bị sụt áp khi hệ thống hoạt động liên tục với toàn bộ động cơ ở công suất tối đa.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Đưa ra kết luận khẳng định đồ án đã hoàn thành toàn bộ các nhiệm vụ nghiên cứu và thi công theo đúng mục tiêu đặt ra. Đề xuất các phương án khắc phục hạn chế phần cứng và vạch ra các hướng phát triển tiếp theo cho mô hình.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật cụ thể đạt được từ đồ án:

  • Về phần cứng và cơ khí: Hoàn thiện mô hình robot 4 bánh dẫn động kích thước 24 cm x 18 cm, tổng khối lượng đạt 650.3 g. Hệ thống truyền động sử dụng 4 động cơ DC giảm tốc V1 kết hợp bánh xe đường kính 65 mm. Mạch công suất Motor Driver Shield L293D kết nối với Arduino Uno R3 điều khiển động cơ thông qua điều chế độ rộng xung (PWM). Hệ thống phát hiện chướng ngại vật bằng cảm biến siêu âm SRF-04 hoạt động ổn định trong khoảng cách từ 3 cm đến 300 cm, góc quét được linh hoạt mở rộng nhờ Servo SG90 quay từ 0° đến 180°. Bộ nguồn gồm 3 cell pin Li-ion 18650 mắc nối tiếp (dung lượng 3000mAh) cung cấp đủ dòng tải 1.295 A cho toàn bộ hệ thống.
  • Về truyền thông và điều khiển: Thiết lập thành công kết nối không dây Bluetooth qua module HC-05 ở dải tần 2.4 GHz với tốc độ truyền UART mặc định 38400 baud và mã kết nối "0000", cho phép nhận lệnh chuyển đổi chế độ tức thời từ điện thoại.
  • Về phần mềm: Xây dựng trọn vẹn ứng dụng Android "Bé Học Mẫu Giáo" gồm 13 màn hình giao diện đồ họa. Ứng dụng cung cấp các bài học song ngữ Anh - Việt về bảng chữ cái, nhận diện hình khối, chữ số từ 0 đến 39, thế giới động vật, hệ thống bài tập trắc nghiệm ôn tập và chức năng nghe các câu chuyện cổ tích dân gian Việt Nam.

Giải pháp và đóng góp của đề tài:

  • Đưa ra giải pháp công nghệ kết hợp giữa đồ chơi robot thông minh và ứng dụng học tập, chuyển hóa việc sử dụng điện thoại di động của trẻ từ hình thức thụ động sang phương thức học tập chủ động, tương tác trực quan.
  • Đóng góp vào mô hình trợ giảng mầm non: Robot hỗ trợ giáo viên quản lý lớp học, tự động hóa một số phần giảng dạy cơ bản về toán học, nhận diện mặt chữ, phát âm ngôn ngữ, giúp kích thích trí tò mò khoa học của trẻ nhỏ.
  • Tự thiết kế hệ thống phần cứng và phần mềm khép kín bằng các linh kiện giá thành thấp, mã nguồn mở, tạo mô hình mẫu có khả năng tùy biến cao trong nghiên cứu chế tạo robot giáo dục.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

  • Robot mới chỉ vận hành tối ưu trên các bề mặt sàn bằng phẳng trong nhà, chưa có cơ chế thích nghi khi gặp địa hình gồ ghề.
  • Tốc độ quét vật cản còn bị giới hạn bởi độ trễ cơ học của Servo SG90 khi xoay cảm biến siêu âm.
  • Thời lượng duy trì của bộ nguồn pin 3 cell 18650 còn hạn chế khi toàn bộ 4 động cơ DC, mạch driver, servo và các module bán dẫn cùng hoạt động ở tải cao.
  • Ứng dụng di động mới dừng lại ở các bài học tương tác cố định trên màn hình chạm, chưa tích hợp thuật toán xử lý âm thanh nhận dạng giọng nói hai chiều giữa trẻ và robot như phân tích lý thuyết.

Hướng phát triển tiếp theo:

  • Nâng cấp bộ vi xử lý và bổ sung camera để ứng dụng các thuật toán xử lý ảnh nhận diện đối tượng hoặc biểu cảm khuôn mặt của trẻ.
  • Tích hợp công nghệ nhận dạng giọng nói tiếng Việt nhằm cho phép trẻ giao tiếp trực tiếp với robot bằng câu lệnh âm thanh.
  • Tối ưu hóa cấu trúc khung vỏ cơ khí bằng công nghệ in 3D hoặc vật liệu chuyên dụng để nâng cao độ bền, giảm rung lắc và tăng tính thẩm mỹ thân thiện với trẻ nhỏ.
  • Mở rộng kho ngữ liệu giáo dục trên ứng dụng Android, bổ sung các trò chơi giải đố thông minh và cơ chế quản lý từ xa dành riêng cho phụ huynh thông qua mạng Internet.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích đối với:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử, Cơ điện tử và Kỹ thuật Điều khiển - Tự động hóa: Cung cấp phương pháp tính toán công suất tải cơ - điện, thiết kế mạch tích hợp vi điều khiển ATmega328/Arduino Uno R3 với Shield L293D, IC logic 74HC595, điều chế độ rộng xung PWM và kết nối cảm biến khoảng cách SRF-04 với động cơ servo.
  • Sinh viên ngành Công nghệ thông tin và Kỹ thuật phần mềm: Cung cấp tài liệu mẫu về quy trình phát triển ứng dụng di động giáo dục mầm non trên Android Studio, kỹ thuật quản lý vòng đời Activity, lập trình xử lý đa phương tiện (âm thanh, hình ảnh) và xây dựng giao thức truyền thông qua cổng nối tiếp Bluetooth SPP.
  • Đơn vị nghiên cứu thiết bị giáo dục (EdTech) và giáo viên mầm non: Cung cấp mô hình tham khảo về việc ứng dụng công nghệ robot tương tác vào phương pháp giảng dạy mầm non trực quan.

Nội dung giá trị nhất cần tham khảo trong đồ án là phương pháp tính toán cân bằng dòng - áp toàn mạch tại Bảng tính toán khối nguồn, bảng ước lượng khối lượng chi tiết cho kết cấu di động, và sơ đồ nguyên lý ghép nối toàn mạch giữa khối điều khiển trung tâm với các module ngoại vi.

Câu hỏi thường gặp

1. Robot sử dụng loại vi điều khiển nào và cơ chế lái động cơ được thực hiện ra sao? Hệ thống sử dụng board vi điều khiển Arduino Uno R3 tích hợp chip ATmega328 (tần số xung nhịp 16 MHz) làm khối xử lý trung tâm. Khối công suất sử dụng Motor Driver Shield L293D tích hợp 2 IC cầu H L293D và 1 IC logic 74HC595, cấp dòng tải 600mA mỗi kênh để điều khiển độc lập 4 động cơ DC giảm tốc V1 thông qua phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) tại các chân Digital 3, 5, 6, 11 của Arduino.

2. Cảm biến siêu âm SRF-04 đo khoảng cách theo nguyên lý nào và góc quét được mở rộng bằng cách nào? Cảm biến SRF-04 hoạt động bằng cách kích hoạt chân Trigger bằng một xung mức cao trong 10 µs để phát ra chuỗi 8 sóng âm thanh tần số 40 kHz. Tín hiệu phản hồi từ vật cản được thu lại tại chân Echo. Khoảng cách được tính theo công thức $s = (t \times 0.034) / 2$, với $t$ là thời gian xung Echo duy trì ở mức cao tính bằng micro giây (µs). Để mở rộng góc quét sang hai bên, cảm biến được lắp trên trục của động cơ Servo SG90 có khả năng quay từ 0° đến 180°.

3. Khối lượng toàn bộ mô hình là bao nhiêu và hệ thống sử dụng nguồn cấp như thế nào? Tổng khối lượng toàn bộ linh kiện của robot là 650.3 g (bao gồm khung mica 100g, Arduino 25g, SRF-04 và servo 11.3g, shield L293D và HC-05 52g, điện thoại thông minh 141g, dây nối ốc vít 10g, 4 động cơ DC 200g, 3 pin 102g). Khối nguồn sử dụng 3 cell pin sạc Lithium Ion 18650 Shuangdi (3.7V - 3000mAh/cell) mắc nối tiếp tạo nguồn xấp xỉ 12VDC, đáp ứng mức tiêu thụ dòng điện danh định của toàn hệ thống là 1.295 A.

4. Ứng dụng di động "Bé Học Mẫu Giáo" trên Android có cấu trúc nội dung như thế nào? Ứng dụng gồm 13 màn hình chức năng chính, bao gồm: màn hình bắt đầu; menu tùy chọn chức năng; học chữ cái Tiếng Anh và Tiếng Việt; học các hình dạng hình học; học chữ số từ 0 đến 39; học nhận diện các con vật quen thuộc (đều hỗ trợ phát âm song ngữ Anh - Việt); 4 màn hình luyện tập trắc nghiệm hình ảnh có nút điều hướng; và màn hình nghe các câu chuyện cổ tích dân gian Việt Nam.

5. Module Bluetooth HC-05 được cấu hình các thông số kỹ thuật nào để giao tiếp với điện thoại? Module Bluetooth HC-05 giao tiếp với Arduino qua chuẩn UART ở các chân RX, TX với tốc độ baud rate mặc định là 38400, 8 bit dữ liệu, 1 stop bit và không sử dụng parity. Module hoạt động tại dải tần ISM 2.4 GHz, hỗ trợ ghép nối tự động với mã PIN mặc định là "0000", nhận các chuỗi ký tự điều khiển từ ứng dụng Android để chuyển đổi trạng thái di chuyển hoặc dừng của robot.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế robot hỗ trợ trẻ em học tập" đã hiện thực hóa thành công một mô hình robot di động 4 bánh nhỏ gọn, tích hợp cơ chế tự hành tránh vật cản dựa trên cảm biến siêu âm SRF-04 và Servo SG90 dưới sự điều khiển của Arduino Uno R3. Hệ thống kết hợp liên lạc không dây Bluetooth HC-05 với ứng dụng di động "Bé Học Mẫu Giáo" trên nền tảng Android, mang lại phương thức tương tác học tập song ngữ trực quan và an toàn cho trẻ từ 2 đến 5 tuổi. Toàn bộ thiết kế phần cứng, bảng tính toán năng lượng và giải thuật điều khiển trong đồ án tạo tiền đề kỹ thuật vững chắc cho việc phát triển các dòng robot trợ giảng mầm non giá thành thấp trong thực tiễn.