Đề tài: Thiết kế và chế tạo robot thu gom rác trên sông - NCKH ĐHCN Đồng Nai

Đề tài nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot thu gom rác trên sông. Khám phá mô hình, nguyên lý hoạt động và ứng dụng thực tiễn của dự án.

• Tác giả: Tống Minh Chiến
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Văn Sang
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Đồng Nai
• Chuyên ngành: Công Nghệ
• Đề tài: Thiết Kế Và Chế Tạo Robot Thu Gom Rác Trên Sông
• Loại tài liệu: Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Đồng Nai

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Robot Thu Gom Rác Trên Sông

Robot thu gom rác trên sông là một giải pháp công nghệ hiện đại nhằm giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường nước tại Việt Nam. Trong bối cảnh công nghiệp hóa 4.0, việc phát triển các sản phẩm tự động hóa thân thiện với môi trường trở nên vô cùng cấp thiết. Đề tài thiết kế và chế tạo robot thu gom rác được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu Trường Đại học Công nghệ Đồng Nai dưới sự chỉ đạo của ThS. Nguyễn Văn Sang từ tháng 08/2020 đến 01/2021. Sản phẩm này không chỉ có ý nghĩa trong việc bảo vệ môi trường mà còn là mô hình giáo dục quý báu cho sinh viên, giúp phát huy đam mê nghiên cứu khoa học và ứng dụng thực tiễn kiến thức đã học.

1.1. Bối cảnh và Ý nghĩa của Đề Tài

Ô nhiễm nước là vấn nạn toàn cầu đe dọa trực tiếp đến sức khỏe con người. Robot thu gom rác sông được phát triển như một giải pháp cấp thiết, kết hợp kiến thức cơ khí và điện tử để tạo ra sản phẩm thân thiện với môi trường. Đây là bước tiến quan trọng trong việc xây dựng môi trường nước xanh sạch, góp phần cải thiện chất lượng cuộc sống và bảo vệ các hệ sinh thái nước ngọt ở Việt Nam.

1.2. Mục Tiêu Chính của Dự Án

Mục tiêu chính bao gồm: đánh giá sản phẩm robot thu gom rác so với các sản phẩm trên thị trường; phát triển sản phẩm thân thiện với môi trường; kết hợp hiệu quả phần cơ và điện trong thiết kế; tạo mô hình giảng dạy cho sinh viên. Sản phẩm hướng tới tăng cường khả năng tự động hóa, nâng cao hiệu quả thu gom và giảm tác động tiêu cực đến môi trường sống.

II. Thiết Kế Kỹ Thuật của Robot Thu Gom Rác

Thiết kế robot thu gom rác bao gồm nhiều thành phần kỹ thuật phức tạp được tối ưu hóa để đạt hiệu suất cao nhất. Máy được chia thành các cụm chính: cụm trục khung máy, cụm động cơ điều khiển, cụm hộp máy, phần vào và phần ra của rác. Mỗi component được thiết kế với độ chính xác cao, đảm bảo máy hoạt động ổn định, êm và dễ bảo trì. Hệ thống điều khiển được tích hợp với giao diện máy tính, cho phép giám sát và điều chỉnh hoạt động từ xa. Công nghệ thiết kế này kết hợp kiến thức về cơ khí, điện tử và lập trình để tạo ra một sản phẩm hoàn chỉnh, hiệu quả và an toàn cho môi trường nước.

2.1. Cấu Trúc Cơ Khí Chính

Khung máy được thiết kế bằng vật liệu chịu lực cao, chống ăn mòn trong môi trường nước. Cụm động cơ điều khiển sử dụng các động cơ điện hiệu suất cao có khả năng hoạt động liên tục. Hộp máy được làm kín để bảo vệ các bộ phận điện tử. Phần vào rác được thiết kế với các lưỡi cắt chuyên biệt có thể xử lý nhiều loại rác: túi bóng, chai lọ, lá cây, cành cây và các phụ phẩm khác.

2.2. Hệ Thống Điều Khiển Điện Tử

Hệ thống điều khiển sử dụng vi xử lý hiện đại để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động. Giao diện máy tính cho phép theo dõi thời gian thực, điều chỉnh tốc độ và quản lý các thông số hoạt động. Cảm biến thông minh được lắp đặt để phát hiện mức độ rác, ngăn chặn quá tải. Thiết kế này đảm bảo máy hoạt động an toàn, hiệu quả và có thể được nâng cấp dễ dàng.

III. Quy Trình Chế Tạo và Lắp Ráp Robot

Quá trình chế tạo robot thu gom rác được thực hiện theo các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt, từ khâu lên kế hoạch, gia công linh kiện, cho đến lắp ráp và kiểm thử toàn bộ hệ thống. Các thành viên nhóm nghiên cứu bao gồm cán bộ hướng dẫn và sinh viên từ Khoa Công Nghệ Trường Đại học Công nghệ Đồng Nai đã phối hợp chặt chẽ. Mỗi bộ phận được gia công với độ chính xác cao, sử dụng máy móc hiện đại và công cụ chuyên dụng. Chế tạo robot đòi hỏi kiến thức đa ngành: cơ khí, điện, điện tử và lập trình, đây cũng là cơ hội thực hành quý báu cho sinh viên ngành Công Nghệ.

3.1. Các Giai Đoạn Chế Tạo Chính

Giai đoạn đầu: thiết kế chi tiết 3D, vẽ bản vẽ kỹ thuật, lập danh sách vật liệu. Giai đoạn hai: gia công các chi tiết, bao gồm cắt, khoan, tiện linh kiện kim loại và nhựa. Giai đoạn ba: lắp ráp các cụm chính, kiểm tra kích thước, độ chính xác hình học. Chế tạo thực tế giúp sinh viên hiểu rõ quy trình sản xuất công nghiệp.

3.2. Kiểm Thử và Tối Ưu Hóa

Sau khi lắp ráp xong, máy được chạy thử nghiệm toàn diện để kiểm tra hiệu suất. Robot thu gom rác đã được kiểm thử với kết quả tốt: có thể thu gom tối đa 50kg rác/1 giờ, hoạt động ổn định, êm, dễ bảo trì. Các bộ phận được tối ưu hóa dựa trên kết quả thử nghiệm để đạt hiệu suất tối đa.

IV. Ứng Dụng và Kết Quả Đạt Được

Robot thu gom rác trên sông đã hoàn thành thử nghiệm và đạt được những kết quả ấn tượng. Máy có khả năng xử lý đa dạng loại rác, từ túi bóng, chai lọ, lá cây, cho đến các cành cây và phụ phẩm khác. Năng suất thu gom lên đến 50kg/1 giờ, đáp ứng nhu cầu làm sạch các con sông, hồ và khu vực nước nội địa. Sản phẩm được xác định có hiệu quả kinh tế-kỹ thuật cao, vừa giải quyết vấn đề môi trường vừa tạo ra giá trị kinh tế. Ngoài ra, robot này được sử dụng để giảng dạy tại các trường đại học, cao đẳng, giúp sinh viên có cơ hội học tập thực tiễn và phát triển kỹ năng nghiên cứu khoa học.

4.1. Ứng Dụng Thực Tế

Robot thu gom rác có thể được triển khai tại các sông, hồ, kênh đào và các khu vực nước bị ô nhiễm. Máy hoạt động tự động hoặc bán tự động, giảm bớt lao động thủ công nguy hiểm. Ứng dụng trong các công trình xử lý nước, bảo vệ môi trường, và phát triển bền vững. Sản phẩm này góp phần xây dựng một môi trường nước xanh sạch, nâng cao chất lượng cuộc sống cộng đồng.

4.2. Tác Động Giáo Dục và Phát Triển Tiếp Theo

Đề tài thiết kế chế tạo robot trở thành mô hình giảng dạy thực tiễn quý báu, giúp sinh viên kết hợp lý thuyết và ứng dụng. Nó khơi gợi đam mê nghiên cứu khoa học, khuyến khích sinh viên phát triển các đề tài tiếp theo kết hợp cơ và điện một cách sáng tạo, đóng góp vào nền công nghiệp 4.0 của Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Hiện nay cùng với sự phát triển tất cả các lĩnh vực đời sống, công nghệ, y tế, thực phẩm,… đó là vấn đề rác thải, đây không chỉ là bài toán khó đối với một quốc gia, lãnh thổ mà còn là vấn đề nan giải đối với thế giới với cả nhân loại, rác thải ảnh hưởng đến mọi mặt cuộc sống con người từ cảnh quan, không khí cho đến sức khỏe của con người và không chỉ riêng con người phải chịu ảnh hưởng của rác thải mà toàn bộ sinh vật sống trên trái đất phải gánh chịu. Ở Việt Nam tình trạng ô nhiễm ở các con suối, sông, kênh đang ở mức báo động tình trạng người dân sống chung với rác đã không còn quá xa lạ và đây là lý do chúng tôi chọn đề tài “Thiết kế và chế tạo máy vớt rác trong hồ nước”. Ý nghĩa đề tài Thông qua việc lên ý tưởng và thực hiện đề tài “Thiết kế và chế tạo máy vớt rác trong hồ nước” này nhóm có cơ hội được làm việc chung với nhau, vận dụng các kiến thức đã học, được tích lũy thêm các trải nghiệm thực tiễn, các kiến thức ngoài chuyên ngành. Những điều này giúp ích cho chúng tôi sau khi ra trường, có cơ hội học tập và nghiên cứu thêm các kiến thức về kĩnh vực điện-điện tử, điều khiển, công nghệ tự động,… 1.

Mu ̣c tiêu của đề tài Vận dụng các kiến thức chuyên ngành đã được học: cơ lý thuyết, nguyên lý chi tiết máy, sức bền vật liệu, thiết kế cơ khí trên máy tính,…vào việc tính toán, thiết kế máy để đáp ứng được nhu cầu thực tiễn đưa ra. Ngoài ra còn tìm hiểu thêm về lĩnh vực tự động hóa, hàng hải để thiết kế gia công chân vịt và các cơ cấu, mạch điều khiển. Tìm hiểu những vật liệu, sản phẩm mà thị trường có sẵn để thiết kế lên mô hình 3D cho máy, nghiên cứu những mạch điều khiển có sẵn để điều khiển máy tiết kiệm chi phí và thời gian. 11 Sử dụng các kiến thức về 3D, gia công và kết hợp với các phần mềm cơ khí để lên bản vẽ 3D, mô phỏng, các bản vẽ 2D chi tiết và bản vẽ lắp ráp.

Tính toán được các cơ cấu quan trọng của máy để máy hoạt động ổn định và đáp ứng mục tiêu đề ra. Thi công mạch điều khiển và mô hình máy vớt rác từ thiết kế. Giới hạn đề tài Do trình độ chuyên môn của nhóm có hạn, thời gian làm đề tài tương đối ngắn và còn các yếu tố khách quan khác, đề tài khá rộng cần hiểu về nhiều khía cạnh của mỗi ngành nên sản phẩm chưa được tối ưu lắm. Nhóm đã cố gắng làm những phần chính như bản thuyết minh, mô hình, các bản vẽ chi tiết, bản vẽ lắp và đã giải quyết được các vấn đề trọng tâm của máy.

Máy có thể vớt được một số loại rác nổi trên mặt nước như nilon, hộp giấy, các loại rác nhẹ, bèo,… còn hạn chế đối với các loại rác nặng, lơ lửng hoặc chìm trong nước. Máy có thể vớt tối đa 10kg rác nên còn hạn chế, cần nâng cao khả năng vớt rác của máy. Đố i tươ ̣ng nghiên cứu Nghiên cứu các tài liệu, sách báo, giáo trình có liên quan, các tài liê ̣u chuyên môn dùng trong việc tính toán cũng như điều khiển lập trình trên các trang web cũng như trên các diễn đàn mạng Internet. Tìm hiểu các cơ cấu truyền động cũng như kiểu dáng canô mô hình để hỗ trợ trong việc thiết kế Robot.

Phương pháp và phương tiêṇ nghiên cứu a) Về phương pháp nghiên cứu: Tìm hiể u, khảo sát, tham khảo tài liê ̣u, diễn đàn về kiể u dáng thiế t kế cũng như cơ sở tính toán chuyên ngành… Đề ra ý tưởng chung và dùng phương pháp loại trừ thống nhất kết cấu kiểu dáng thiết kế và công việc thực hiện. Tiến hành chạy thực nghiệm đánh giá kết quả để so sánh mục tiêu đặt ra từ đó rút ra tính khả thi của luận án. 12 b) Về phương tiện nghiên cứu: Thiết kế mô hình và tính toán độ bền khung Robot bằng phần mềm Solidworks, Rhinoceros. Phạm vi ứng dụng Robot vớt rác có tính ứng dụng, tính thẩm mỹ cao với chi phí thấp và có thể nhân rộng sản xuất hàng loạt nhanh chóng vì các chi tiết của máy không hề phức tạp.

Cùng với sự phát triển kinh tế và sự lãng phí tài nguyên trong thói quen sinh hoạt của con người khiến cho số lượng rác ngày càng tăng, tiềm ẩn nhiều nguy cơ độc hại với sức khỏe con người. Trong những năm gần đây, việc tắc nghẽn các dòng chảy gây ô nhiễm gần các kênh rạch gần môi trường sống của người dân gây ô nhiễm nghiêm trọng đang là vấn đề hết sức nhức nhói ở mỗi địa phương. Do vậy, việc thuê công nhân và máy móc để thu gom tốn nhiều thời gian và chi phí nhưng hiệu quả chưa cao. Xuất phát từ thực tiễn đó, máy vớt rác sẽ là một hướng giải quyết tối ưu sức người và chi phí cho vấn đề rác thải trên sông.

Phạm vi ứng dụng của thiết bị này là rất rộng và được điều khiển bằng 1 bộ điều khiển từ xa nó sẽ giúp tiết kiệm chi phí cũng như là sức người. Với ưu thế cực kì nhỏ gọn máy vớt rác trên sông có thể thu gom rác ở mọi ngõ ngách, có thể khai thông và làm sạch những rác thải ở các sông kênh rạch và các hồ, có thể làm việc trong không gian chật hẹp và vớt triệt để các loại rác trôi nổi ở trên sông cũng như gần bờ, chân bờ đá,. Đây là thiết bị có hiệu suất và tần suất làm việc cao, với phạm vi hoạt động tối đa có thể lên đến 200m, do đó máy vớt rác sẽ là một thiết bị giải quyết được những vấn đề ô nhiễm môi trường. Nếu đem áp dụng vớt rác trong ao hồ, khúc sông phục vụ cho du lịch chắc chắn sẽ mang lại hiệu quả ấn tượng.

Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 1. Hiện trạng ô nhiễm môi trường nước do rác thải Hậu quả chung của tình trạng ô nhiễm nước là tỉ lệ người mắc các bệnh cấp và mãn tính liên quan đến ô nhiễm nước như viêm da, tiêu hoá, tiêu chảy và nguy cơ ung thư ngày càng cao. Tại một số địa phương, trường hợp bệnh nhân mắc bệnh ung 13 thư, viêm nhiễm phụ khoa chiếm từ 40 - 50%, nguyên nhân là do từng sử dụng nguồn nước bị ô nhiễm. Theo đánh giá của các bộ y tế và NN&PTNT, trung bình mỗi năm, việt nam có khoảng 9.000 người chết vì nguồn nước và điều kiện vệ sinh kém, trên 100.000 trường hợp mắc ung thư mới phát hiện mà một trong những nguyên nhân chính là do sử dụng nguồn nước ô nhiễm.

Ngoài ra ô nhiễm nguồn nước đang gây tổn thất lớn cho các ngành sản xuất kinh doanh, nông nghiệp, nuôi trồng thuỷ sản… Hàng năm, trên cả nước sử dụng hơn 100.000 tấn hoá chất bảo vệ thực vật, phát sinh hơn 23 triệu tấn rác thải sinh hoạt, hơn 7 triệu tấn chất thải rắn công nghiệp, hơn 630.000 tấn chất thải nguy hại. Hiện có 458 bãi chôn lấp rác thải, trong đó có 337 bãi chôn lấp không hợp vệ sinh. Năm 2017, ngân sách sự nghiệp môi trường của cả nước là 13.880 tỷ đồng, trong đó, kinh phí sự nghiệp môi trường phân bổ cho các địa phương là 12.000 tỷ đồng, của trung ương là 1.880 tỷ đồng (trong đó: vốn trong nước 1.351,5 tỷ đồng, vốn ngoài nước 528,5 tỷ đồng).1: Tình hình ô nhiễm nước từ rác thải. Tình hình nghiên cứu trong nước và hướng giải quyết Ở nước ta, môi trường nước chiếm khá lớn, có nhiều diện tích biển, sông, hồ, kênh, ao, đầm lầy,… nhưng lại ô nhiễm ở mức báo động.

Trước tình trạng môi trường nước bị ô nhiễm trầm trọng như vậy các cơ quan tổ chức đang tích cực chú trọng vào việc bảo vệ và đưa ra các giải pháp tối ưu nhất để giúp cải thiện việc ô nhiễm do rác thải gây ra. Chế tạo ra những sản phẩm hữu ích và hiệu quả trong công cuộc bảo vệ môi trường nước. 14 Máy thu gom rác thủy bộ đa năng của sinh viên đại học bách khoa đà nẵng: máy thu gom rác thải thủy bộ đa năng được thiết kế với kích thước dài 4,3m, rộng 2,7m và cao 1,7m. Cửa gom rác của máy có bề rộng 4m, thể tích thùng chứa rác 2 mét khối.

Máy vận hành trên cạn nhờ hệ thống bánh xích và vận hành dưới nước nhờ hệ thống chân vịt đặt trong ống.2: Máy thu gom rác thủy bộ đa năng (ĐHBK Đà Nẵng) Máy chuyên dùng vớt rác trên các kênh, rạch đô thị của Việt Nam của nhóm nghiên cứu do PGS. Phan Minh Tân, trung tâm thiết kế chế tạo thiết bị mới làm chủ nhiệm: Hình 1.3: Máy vớt rác của nhóm nghiên cứu PGS.TS Phan Minh Tân. 15 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Các khái niệm về lực Ngoại lực: là tác dụng của môi trường bên ngoài hay các vật thể khác lên vật thể khảo sát.

Ngoại lưc bao gồm tải trọng và phản lực liên kết. Nội lực: dưới tác dụng của ngoại lực, lực tương tác giữa các phân tử của vật thể sẽ thay đổi để chống lại sự di chuyển bên trong vật thể đó gọi là nội lực. Tải trọng: là các tác động dưới dạng lực bên ngoài tác dụng lên vật thể gây ra sự thay đổi trạng thái ứng suất, biến dạng…so với trạng thái cân bằng ban đầu. Phản lực liên kết: là những lực thụ động, phát sinh tại nơi tiếp giáp giữa vật thể khảo sát và vật thể xung quanh khi có tác dụng của tải trọng.

Momen xoắn: là một đại lượng trong vật lý, thể hiện tác động gây ra sự quay quanh một điểm hoặc một trục của một vật thể. Nó là khái niệm mở rộng cho chuyển động quay từ khái niệm lực trong chuyển động thẳng. Momen xoắn còn đặc trưng cho khả năng chịu tải tức thời của động cơ và được truyền tới thiết bị đẩy là chân vịt của máy thông qua hệ trục truyền động tọa lực đẩy. Ứng suất: tại một điểm trên mặt cắt là cường độ của nội lực trên một đơn vị diện tích tại điểm đó, nó gọi là đại lượng véc tơ.

Có thể phân ứng suất p thành hai thành phần: một trên phương pháp tuyến n của mặt cắt gọi là ứng suất pháp tuyến ký hiệu 𝜎, một nằm trong mặt cắt gọi là ứng suất tiếp tuyến ký hiệu 𝜏. Ta có hệ thức: 𝑝2= 𝜎 2 + 𝜏 2 Hình 2.1: Phân tích ứng suất Vậy ứng suất đặc trọng cho mức độ chịu đựng của vật liệu tại một điểm.