CHƯƠNG 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Việc quét dọn nhà cửa là công việc thường ngày của mỗi người. Để đáp ứng nhu cầu vệ sinh và quét dọn nhà cửa trong đời sống ngày càng bận rộn hiện nay, việc sử dụng các sản phẩm hỗ trợ đã trở thành một xu hướng phổ biến ở Việt Nam. Trong số đó, robot hút bụi đã thu hút sự quan tâm và được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên, tất cả các sản phẩm có mặt tại nước ta hiện nay được phân phối từ Trung Quốc, Đài Loan, Hàn Quốc, Nhật Bản… Điều này xuất phát từ việc nước ta chưa có sản phẩm trong lĩnh vực này do còn nhiều hạn chế về nghiên cứu và phát triển.
Để giải quyết vấn đề này và đáp ứng nhu cầu, nhóm nghiên cứu đã quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo Robot hút bụi tự động” nhằm tạo ra một sản phẩm robot hút bụi tự động đến từ Việt Nam. Mục tiêu của nhóm là nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một robot hút bụi tự động hiệu quả, tiện lợi và có khả năng hoạt động trên các bề mặt sàn nhà khác nhau, hút được nhiều thứ. Nhóm hy vọng rằng đề tài này có thể đóng góp vào việc nâng cao chất lượng và đa dạng hóa các sản phẩm robot hút bụi trên thị trường trong nước, đồng thời thúc đẩy sự nghiên cứu, ứng dụng và phát triển các công nghệ về robot tự động ở nước ta.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Robot hút bụi tự động đã trở thành một giải pháp đáng chú ý trong việc giảm công việc vệ sinh và quét dọn cho người dùng. Nhờ tính năng tự động của robot, người dùng không còn phải bỏ thời gian và công sức để làm sạch nhà cửa.
Việc này giúp cho chúng ta tiết kiệm được thời gian cho những việc khác, đáng chú trọng hơn trong cuộc sống. Robot giúp loại bỏ bụi bẩn và các mẫu rác nhỏ trên mặt sàn, làm cho môi trường sống sạch sẽ và trong lành cho gia đình. Việc sử dụng robot hút bụi tự động hiệu quả giúp giảm nguy cơ gây dị ứng và bệnh tật do bụi bẩn. Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo Robot hút bụi tự động” không chỉ tạo ra cơ hội về nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ hiện đại về cảm biến và điều khiển tự động., mà còn đóng góp quan trọng vào sự phát triển và mở rộng ứng dụng của robot trong lĩnh vực vệ sinh và gia đình thông minh.
Từ đó giúp chúng ta có thể tạo ra các sản phẩm robot hút bụi tự động tiên tiến, giúp giải quyết nhu cầu ngày càng tăng trong việc vệ sinh và duy trì một không gian sạch sẽ, tiện nghi và hiện đại. Qua đó, đề tài này không chỉ tạo ra giá trị thực tiễn trong việc giảm công việc vệ sinh và cải thiện không gian sống cho người dùng, mà còn góp phần quan trọng vào sự phát triển của công nghệ thông qua việc nghiên cứu, khai thác và áp dụng các công nghệ tiên tiến.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Đối với đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo Robot hút bụi tự động” được nhóm đặt ra mục tiêu như sau: ﹣ Thiết kế, chế tạo mô hình robot hút bụi tự động đáp ứng các nhu cầu sau: Robot có các tính năng cần có của một con robot hút bụi là khả năng tránh chướng ngại vật khi đang hoạt động, có trạm sạc pin, cơ cấu quét và hút bụi hoạt động ổn định, có thể hút được các mẩu giấy vụn, hạt dưa, tóc. ﹣ Thiết kế ứng dụng tương tác giữa người dùng và robot thông qua nền tảng app android: ra lệnh và tương tác cơ bản với robot bằng giọng nói, bằng nút nhấn. Giúp người dùng thuận tiện trong quá trình sử dụng robot.
﹣ Ứng dụng in 3D trong chế tạo vỏ và đế sạc cho robot. Việc áp dụng công nghệ in 3D giúp dễ sản xuất, đồng thời tăng tính thẩm mỹ cho robot. ﹣ Lập được bản đồ môi trường bằng cảm biến Lidar.4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.1 Đối tượng nghiên cứu Nhóm nghiên cứu tập trung vào robot hút bụi tự động. Vì robot cần phải di chuyển linh hoạt và phạm vi hoạt động không bị giới hạn để đảm bảo nhiệm vụ vệ sinh và làm sạch sàn nhà nên đề tài nghiên cứu về hướng robot di chuyển tự do.
Để đảm bảo tính tiện lợi trong việc điều khiển robot, nhóm đã phát triển một ứng dụng trên nền tảng Android thông qua MIT App Inventor 2. Người sử dụng robot ra lệnh bằng giọng nói và điều khiển bằng nút nhấn thông qua cảm ứng màn hình. Bên cạnh đó, Robot sử dụng Lidar để quét và lập bản đồ. Các phần mềm được sử dụng như Cad Electrical trong thiết kế mạch cho hệ thống, thiết kế mô hình 3D trên Inventor, Autocad, lập trình cho vi điều khiển bằng phần mềm Arduino IDE và lập bản đồ sử dụng Lidar với ROS trên Raspberry Pi 4.
Sau đó lắp ráp các chi tiết để thành một thể thống nhất.2 Phạm vi nghiên cứu Vì thời gian và năng lực còn nhiều hạn chế nên đề tài được nhóm giới hạn ở các nội dung bên dưới đây: ﹣ Tập trung vào nghiên cứu và giới thiệu việc ứng dụng mobile robot vào đời sống hàng ngày khi mà cuộc sống ngày càng hiện đại. ﹣ Các thông số và kết quả nhóm sử dụng là dành cho robot hoạt động trong nhà với mặt sàn nhẵn và có thể hoạt động trên thảm, có khả năng tránh vật cản, các vật thể robot có thể hút được là: bụi, mẫu giấy vụn, tóc,… ﹣ Ứng dụng điều khiển: người sử dụng sẽ tương tác cơ bản với robot qua điện thoại Android bằng giọng nói hoặc thông qua giao diện cảm ứng trên điện thoại di động. 2 ﹣ Vẽ bản đồ môi trường robot hoạt động.5 Phương pháp nghiên cứu Từ các đặc tính của robot như không gian làm việc trong nhà và khả năng quét hút bụi. Nhóm bắt đầu nghiên cứu và thiết kế cơ khí của robot đảm bảo khả năng chịu tải của các bộ phận có trong robot, đồng thời tạo tính linh hoạt trong di chuyển và tính thẩm mỹ để tăng sự thu hút cho sản phẩm.
Để robot có cơ cấu hút bụi tốt nhóm đã tham khảo các cơ cấu hút và quét từ đó tính toán lực hút và lựa chọn động cơ hút cũng như thiết kế hộp chứa rác phù hợp với cơ cấu đã chọn trước đó. Để robot di chuyển linh hoạt và chính xác nhóm bắt đầu tìm hiểu về các bộ điều khiển cho động cơ để mang lại tính ổn định cho robot. Nhóm lựa chọn bộ điều khiển PID cho đề tài vì bộ điều khiển được áp dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển hiện nay. Về điều hướng cho robot sử dụng cảm biến siêu âm để tránh vật cản trong quá trình di chuyển.
Kế tiếp, nhóm tiến hành tìm hiểu về ROS và sử dụng ROS cho robot. Tiến hành cài đặt ROS trên Ubuntu được cài đặt trên máy tính nhúng Raspberry Pi 4. Sau đó nhóm nghiên cứu cách sử dụng cảm biến Lidar, thực hiện quét và lưu bản đồ. Tìm hiểu thuật toán đường đi, tránh vật cản tối ưu đường đi cho robot.
Cuối cùng, nhóm cho chạy thực nghiệm và đưa ra kết luận từ đó đề xuất hướng phát triển cho robot.6 Kết cấu đồ án tốt nghiệp Đồ án tốt nghiệp được nhóm trình bày gồm 10 chương: Chương 1: Giới thiệu. Chương 2: Tổng quan về robot hút bụi tự động. Chương 3: Cơ sở lý thuyết. Chương 4: Phương hướng và các giải pháp.
Chương 5: Tính toán và thiết kế cơ khí. Chương 6: Thiết kế hệ thống điện và điều khiển. Chương 7: Xây dựng giải thuật điều khiển. Chương 8: Lập bản đồ và tương tác với người dùng.
Chương 9: Kết quả và thực nghiệm. Chương 10: Kết luận và hướng phát triển. TỔNG QUAN VỀ ROBOT HÚT BỤI TỰ ĐỘNG 2.1 Giới thiệu Robot hút bụi tự động là một thiết bị công nghệ thông minh với nhiệm vụ tự động hút và làm sạch bụi trên sàn nhà. Chúng thường có hình dạng nhỏ gọn hiện đại và chương trình điều khiển để di chuyển và hoạt động trên nhiều loại bề mặt như gạch, gỗ, thảm và sàn nhà cứng khác.
Các robot hoạt động dựa trên các cảm biến để phát hiện và tránh các vật cẩn như ghế, bàn, cột hoặc các vật dụng khác trong căn phòng. Chúng cũng có thể phát hiện các vùng bị bẩn để tiến hành làm sạch hoặc tránh những vùng cấm được đặt trước.2 Đặc tính của robot Robot hút bụi vừa di chuyển tránh vật cản, trong khi di chuyển cơ cấu hút bụi và quét sẽ làm nhiệm vụ làm sạch sàn. Sau khi robot làm xong nhiệm vụ của mình thì người sử dụng sẽ lấy hộp chứa bụi và rác đi đổ sau đó đưa robot về lại đế để sạc pin cho robot.3 Kết cấu của robot Mặc dù có sự đa dạng trong thiết kế và kết cấu giữa các mẫu robot hút bụi. Tuy nhiên, chúng thường có một số phần cấu thành chung hầu hết robot hút bụi đều có: ﹣ Thân robot.
﹣ Mạch điều khiển. ﹣ Pin và đế sạc.4 Các nghiên cứu có liên quan đến đề tài 2.1 Các nghiên cứu ngoài nước Trong những năm đầu 1990, Electrolux đã đánh dấu sự xuất hiện đầu tiên của mẫu sản phẩm robot hút bụi đầu tiên mang tên Trilobite. Đây là một bước tiến quan trọng trong ngành tự động hóa và làm sạch, mang lại những hy vọng trong ngành công nghiệp robot hút bụi. Tuy nhiên, dù có sự quan tâm từ truyền thông, Trilobite thực sự chưa tạo được thu hút và sự chấp nhận lớn từ phía người dùng.
Đến những năm 2000, robot hút bụi đã được cải tiến rất nhiều. Nhiều nhà sản xuất đã đưa vào sử dụng các cảm biến, bộ vi xử lý mạnh mẽ và thuật toán thông minh để nâng cao khả năng di chuyển, phát hiện chướng ngại vật và làm sạch hiệu quả. 4 Cho đến những năm 2010, robot hút bụi xuất hiện nhiều hơn trên thị trường. Các công ty lớn như iRobot với dòng Roomba [12] và Ecovacs đã đưa ra các mẫu robot hút bụi tiên tiến với tính năng thông minh và hiệu suất cao.
Giúp thu hút được nhiều sự quan tâm và sự chấp nhận từ người tiêu dùng. Lúc này, cuộc đua về cải tiến công nghệ cho robot hút bụi mới thực sự bắt đầu.1: Thiết kế robot hút bụi Roomba đầu tiên [12] Hiện nay, những đột phá về công nghệ đang dần cải tiến khả năng làm sạch và đem nhiều trải nghiệm mới cho người dùng robot hút bụi. Trên thực tế, robot hút bụi ngày một trở nên tân tiến hơn và có khả năng làm sạch với hiệu suất cao hơn.