Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa, ngành Cơ điện tử đóng vai trò then chốt trong việc tối ưu hóa năng suất lao động, hạ giá thành sản phẩm và nâng cao độ chính xác vận hành. Cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin, kỹ thuật điện tử và tự động hóa, nhu cầu ứng dụng robot dịch vụ (service robots) tại Việt Nam đang gia tăng nhanh chóng nhằm đón đầu xu hướng tự động hóa, giảm chi phí nhân công và tạo lợi thế cạnh tranh cho các doanh nghiệp trong lĩnh vực thương mại, nhà hàng và khách sạn.

Báo cáo bài tập lớn môn Thiết kế hệ thống Cơ Điện Tử với đề tài "Thiết kế sản phẩm cơ điện tử Robot lễ tân" được thực hiện bởi nhóm sinh viên Nguyễn Văn Thành, Đinh Văn Triển, Lê Quang Trung dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Văn Trường tại Khoa Cơ khí, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội (năm 2023).

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của đề tài bao gồm:

  1. Phân tích nhiệm vụ thiết kế, tổng quan lịch sử phát triển robot di động và khảo sát nhu cầu thực tế của thị trường đối với sản phẩm robot phục vụ lễ tân.
  2. Xây dựng danh sách yêu cầu kỹ thuật, phân tích cấu trúc chức năng tổng thể và các chức năng con của hệ thống.
  3. Thiết lập không gian giải pháp bằng ma trận hình thái học, kết hợp nguyên tắc làm việc để hình thành các biến thể thiết kế và tiến hành đánh giá chọn lọc phương án tối ưu thông qua cây mục tiêu.
  4. Triển khai thiết kế kỹ thuật cụ thể: bố trí không gian hình học, phân nhóm tương tác, tính toán động lực học chuyển động, lựa chọn linh kiện tiêu chuẩn và thiết kế bản vẽ kết cấu chi tiết cơ khí cùng lưu đồ điều khiển hệ thống.

Đối tượng nghiên cứu là robot lễ tân di động hoạt động trên bề mặt sàn phẳng trong môi trường nhà hàng, khách sạn với tải trọng hàng hóa phục vụ tối đa từ 15 kg đến 18 kg và vận tốc di chuyển định mức 0,5 m/s.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài áp dụng phương pháp luận thiết kế và phát triển sản phẩm cơ điện tử theo quy trình kỹ thuật hệ thống tiêu chuẩn:

  • Phương pháp phân rã và tổng hợp chức năng: Phân tích chức năng tổng quát của robot dựa trên ba dòng biến đổi cơ bản (dòng năng lượng, dòng vật liệu và dòng tín hiệu/thông tin), sau đó phân rã thành 10 khối chức năng con chuyên biệt.
  • Phương pháp hình thái học (Morphological Matrix): Thiết lập bảng cấu trúc làm việc gồm 37 chức năng kỹ thuật chi tiết, mỗi chức năng đề xuất 3 phương án nguyên lý để tổ hợp thành các biến thể sản phẩm khác nhau.
  • Phương pháp đánh giá đa tiêu chí (Cây mục tiêu): Xác định trọng số cho từng nhóm tiêu chí kỹ thuật (độ ổn định điện, độ bền cơ khí, khả năng ứng biến, tính thân thiện) để tính toán điểm số tổng hợp và xếp hạng biến thể.
  • Phương pháp tính toán cơ học và động lực học: Thiết lập phương trình cân bằng lực cản lăn, lực quán tính khi tăng tốc và phản lực mặt sàn để xác định mô-men xoắn, tốc độ quay và công suất động cơ dẫn động.
  • Phương pháp điều tra xã hội học: Sử dụng phiếu khảo sát trực tuyến thu thập dữ liệu người dùng về độ tuổi, nhận thức, yêu cầu tính năng và mức giá kỳ vọng cho sản phẩm robot lễ tân.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Phân tích nhiệm vụ thiết kế

Chương 1 hệ thống hóa lịch sử phát triển của robot từ khái niệm ban đầu trong tác phẩm Rossum’s Universal Robot (1921 của Karel Čapek) đến các thế hệ robot di động tự hành (WMRs, LMRs, UAV, AUV). Tác giả phân tích các chức năng cốt lõi của robot lễ tân trong nhà hàng, bao gồm: chào đón khách, hướng dẫn vào bàn, tiếp nhận đơn đặt chỗ/món ăn, vận chuyển đồ ăn/thức uống, hỗ trợ thanh toán và quản lý đơn hàng.

Kết quả khảo sát thị trường từ phiếu thu thập thông tin ghi nhận:

  • Nhóm đối tượng khảo sát chủ yếu trong độ tuổi 18–24 và 25–35.
  • 66,7% người tham gia khảo sát đã biết đến robot lễ tân.
  • Các tiêu chí người dùng quan tâm hàng đầu: Dễ điều khiển (78,4%), An toàn khi sử dụng (72,5%), Thân thiện với người dùng (62,7%), Kiểu dáng bắt mắt (49%).
  • Mức giá kỳ vọng tập trung ở phân khúc dưới 30 triệu đồng và từ 20 đến 40 triệu đồng.

Từ kết quả khảo sát và phân tích kỹ thuật, nhóm tác giả xây dựng Danh sách yêu cầu kỹ thuật (Bảng 1.1):

Thông số / Hạng mục Yêu cầu thiết kế
Kích thước tổng thể Chiều cao: 1200 – 1350 mm
Kích thước thân vỏ Dài 550 – 600 mm, Rộng 400 – 450 mm, Cao 200 – 250 mm
Khung giá và khay Khung cao 900 – 1100 mm; Khay chứa: 550–600 x 400–450 x 20–40 mm
Khối lượng hệ thống Tổng khối lượng: 13 – 17 kg; Tải trọng hàng hóa tối đa: 15 – 18 kg
Thông số động học Động cơ: 70 – 90 RPM; Đường kính bánh xe: 130 – 170 mm
Hệ thống điện & Điều khiển Pin 24V – 36V; Vi điều khiển, màn hình cảm ứng, cảm biến vật cản
Vật liệu chế tạo Thép hợp kim, nhôm định hình, gỗ công nghiệp, nhựa chịu lực
Chi phí hoàn thiện Dự toán: 30 – 45 triệu VND; Thời gian thực hiện: 4 – 6 tháng

Chương 2: Thiết kế sơ bộ

Chương này tập trung xác định các vấn đề cơ bản của sản phẩm và mô hình hóa cấu trúc chức năng. Cấu trúc chức năng tổng thể tiếp nhận tín hiệu điều khiển, tín hiệu khách hàng và điện năng để tạo ra cơ năng di chuyển, tín hiệu hiển thị và đáp ứng dịch vụ yêu cầu. 10 sơ đồ chức năng con được thiết lập bao gồm: cung cấp điện năng, bảo vệ hệ thống điện, dẫn động, chuyển đổi điện - cơ, chọn chế độ điều khiển, điều khiển tốc độ, kiểm soát vị trí, hãm an toàn, kiểm soát quá tải và lựa chọn dịch vụ.

Dựa trên bảng cấu trúc làm việc (Bảng 2.1) gồm 37 chức năng con, tác giả tổ hợp thành 3 biến thể thiết kế chính (Bảng 2.3):

  • Biến thể 1: Kết cấu khung thép cổ điển; tương tác chủ yếu bằng cơ học; hiển thị LCD đơn sắc không can thiệp điều khiển; bảo vệ bằng cầu chì; chi phí thấp.
  • Biến thể 2: Kết cấu khung vỏ nhôm định hình; trang bị điều khiển giọng nói đa ngôn ngữ và gọi từ xa; hiển thị OLED tích hợp AI; bảo vệ bằng mạch điện tử chuyên dụng.
  • Biến thể 3: Kết cấu khung thép kết hợp tấm ốp; điều khiển kết hợp giữa màn hình cảm ứng OLED và nút bấm cơ học; bảo vệ bằng Aptomat/mạch bảo vệ; tích hợp gọi phục vụ từ xa.

Kết quả đánh giá định lượng bằng phương pháp cây mục tiêu (Bảng 2.4) ghi nhận tổng điểm của các biến thể:

$$\text{Điểm Biến thể 1} = 0,283 \quad | \quad \text{Điểm Biến thể 2} = 0,439 \quad | \quad \text{Điểm Biến thể 3} = 0,507$$

Biến thể 3 đạt điểm đánh giá cao nhất (0,507 điểm), đáp ứng tối ưu tính khả thi kỹ thuật, độ tin cậy và chi phí chế tạo, được lựa chọn để triển khai thiết kế chi tiết.

Chương 3: Thiết kế cụ thể

Tác giả tiến hành phân rã hệ thống thành 11 nhóm chức năng và bố trí layout không gian 3 chiều:

  1. Nhóm 1 (Năng lượng): Vỏ pin, cell pin, cổng sạc, mạch biến áp, mạch bảo vệ.
  2. Nhóm 2 (Dẫn động): Động cơ giảm tốc, bộ truyền động, quạt làm mát.
  3. Nhóm 3 (Tọa độ robot): Cảm biến LiDAR, bộ mã hóa xung Encoder.
  4. Nhóm 4 (An toàn vật lý): Cảm biến siêu âm, camera, nút dừng khẩn cấp.
  5. Nhóm 5 (Kiểm soát khối lượng): Cảm biến tải trọng Loadcell đặt dưới khay hàng.
  6. Nhóm 6 (Xử lý và điều khiển): Bo mạch vi điều khiển trung tâm.
  7. Nhóm 7 (Hiển thị và giao tiếp): Màn hình cảm ứng giao tiếp người dùng.
  8. Nhóm 8 (Khay chứa): Các tầng khay để khay đồ ăn, thức uống.
  9. Nhóm 9 (Vận hành): Bánh xe chủ động và bánh xe dẫn hướng tự lựa.
  10. Nhóm 10 (Mở rộng kết nối): Cổng HDMI, USB, cổng mạng LAN, module không dây.
  11. Nhóm 11 (Khung vỏ): Khung thép hộp và các tấm vỏ bảo vệ.

Thiết kế và triển khai

Tính toán động lực học và lựa chọn động cơ

Quá trình tính toán lựa chọn động cơ dẫn động cho robot dựa trên các thông số thiết kế:

  • Khối lượng bản thân ước tính: $M = 15\text{ kg}$; Tải trọng hàng hóa tối đa: $18\text{ kg}$; Khối lượng tính toán phân bổ tải trọng cực đại: $m = 42\text{ kg}$ (khối lượng trên mỗi cụm bánh chủ động $m_1 = m / 2 = 21\text{ kg}$).
  • Vận tốc di chuyển định mức: $v = 0,5\text{ m/s}$; Gia tốc khởi động: $a = 0,5\text{ m/s}^2$.
  • Đường kính bánh xe chủ động: $2r = 150\text{ mm} \rightarrow r = 0,075\text{ m}$; Bề rộng bánh xe: $30\text{ mm}$.

Tốc độ quay yêu cầu của bánh xe:

$$n = \frac{60 \times 1000 \times v}{\pi \times 2r} = \frac{60 \times 1000 \times 0,5}{\pi \times 150} \approx 63,66\text{ (vòng/phút)}$$

Phản lực pháp tuyến từ mặt sàn tác dụng lên một bánh xe chủ động:

$$N = \frac{P}{2} = \frac{m \cdot g}{2} = \frac{42,2 \times 9,8}{2} = 206,7\text{ (N)}$$

Khi robot chuyển động đều ($a = 0$), với hệ số ma sát lăn trên sàn bê tông $\mu_l = 0,015$:

  • Lực kéo tiếp tuyến: $F_k = F_{msn} = \mu_l \cdot N = 0,015 \times 206,7 \approx 3,1\text{ (N)}$.

Khi robot tăng tốc ($a = 0,5\text{ m/s}^2$), với hệ số ma sát tĩnh $\mu_t = 1$:

  • Lực kéo cực đại: $F_k = \mu_t \cdot N + m_1 \cdot a = 1 \times 206,74 + 21 \times 0,5 \approx 228\text{ (N)}$.
  • Mô-men xoắn cần thiết tại trục bánh xe: $M_t = F_k \times r = 228 \times 0,075 = 17,1\text{ (Nm)}$.
  • Công suất yêu cầu khi tăng tốc: $P = F_k \times v = 228 \times 0,5 = 114\text{ (W)}$.

Căn cứ vào kết quả tính toán ($P = 114\text{ W}$, $n = 63,66\text{ rpm}$), nhóm thiết kế lựa chọn Động cơ giảm tốc hành tinh Planet 24V, công suất định mức $120\text{ W}$, tốc độ quay định mức $70\text{ rpm}$.

Danh mục linh kiện tiêu chuẩn và phần cứng điều khiển

Linh kiện / Thiết bị Mã hiệu / Quy cách Thông số kỹ thuật chính
Nguồn pin Nitecore 18650 Dung lượng: 2500 mAh, ghép bộ cấp nguồn 24V DC
Nút dừng khẩn Nút dừng công nghiệp Tiếp điểm: 1NO + 1NC, dòng định mức 10A, 380VAC/220VDC
Relay trung gian Relay điện từ Tải tiếp điểm: AC 250V/10A, DC 30V/10A; tác động: 10 ms
Cảm biến LiDAR Sick 2D TiM150-3010300 Công nghệ HDDM+, tia hồng ngoại 850nm, góc quét 2,8–3m, IP65
Encoder đo tốc độ Encoder tương đối Độ phân giải: 1000 xung/vòng, nguồn 12–24V, pha ra: A, B, Z
Cảm biến khoảng cách HC-SR04 Đo khoảng cách bằng sóng siêu âm phát hiện chướng ngại vật
Cảm biến gia tốc GY-521 (MPU-6050) Đo 6 bậc tự do (6 DOF), giao tiếp I2C
Cảm biến khối lượng Loadcell thanh Dải đo: 1 – 200 kg, sai số $\pm 0,5%$, nguồn cấp 24V
Vi điều khiển STM32F407VET6 Lõi ARM Cortex-M4, xung nhịp cao, hỗ trợ ngoại vi đa dạng
Mạch công suất L298N & Driver Smart PID Điều khiển động cơ DC tới 700W, hỗ trợ thuật toán PID vị trí/vận tốc
Mạch hạ áp Module DC-DC hạ áp Điện áp vào: 4–38V, áp ra: 1,25–36V (chỉnh được), dòng max: 5A
Màn hình giao tiếp Màn hình cảm ứng Công nghệ cảm ứng điện trở 4 dây (4-wire Resistive)

Kết cấu cơ khí và kích thước chi tiết

Các cụm kết cấu cơ khí chính được thiết kế và xây dựng bản vẽ kỹ thuật chi tiết:

  • Phần nắp vỏ: Vật liệu thép tấm dập định hình, kích thước $550 \times 405 \times 45\text{ mm}$ (Dài x Rộng x Cao).
  • Phần thân vỏ: Vật liệu thép tấm dập định hình, kích thước $550 \times 405 \times 220\text{ mm}$.
  • Phần đáy vỏ: Vật liệu thép tấm, kích thước $546 \times 400 \times 93\text{ mm}$, là nơi gá đặt động cơ, pin và hệ thống bánh xe.
  • Khung giá đỡ chính: Thép hộp định hình kích thước $50 \times 25 \times 2\text{ mm}$, chịu lực liên kết từ đế lên khay và màn hình.
  • Khay chứa đồ: Vật liệu gỗ gia công bề mặt, kích thước $500 \times 400 \times 20\text{ mm}$.
  • Gá đỡ màn hình: Vật liệu gỗ gia công định hình, kích thước $355 \times 160 \times 3\text{ mm}$.
  • Hệ thống bánh xe: Gồm 2 bánh xe động lực đường kính $150\text{ mm}$ (vành nhựa chịu lực, lốp cao su xẻ rãnh tăng ma sát) và cụm bánh xe dẫn hướng tự lựa đa hướng (caster).

Thuật toán điều khiển hệ thống

Lưu đồ thuật toán điều khiển tổng thể của robot hoạt động theo trình tự logic:

  1. Khởi tạo chương trình và kiểm tra trạng thái phần cứng (cảm biến, điện áp nguồn pin, driver).
  2. Lựa chọn chế độ làm việc (chế độ bằng tay hoặc chế độ tự động).
  3. Nhận lệnh dịch vụ từ màn hình cảm ứng (chọn bàn phục vụ, giao món ăn, hướng dẫn khách).
  4. Vi điều khiển xử lý dữ liệu từ Encoder và cảm biến LiDAR TiM150 để định vị và điều hướng bám quỹ đạo.
  5. Cảm biến tải trọng Loadcell liên tục kiểm tra khối lượng hàng trên khay; nếu vượt quá tải trọng định mức ($>18\text{ kg}$), hệ thống phát tín hiệu cảnh báo và khóa chế độ di chuyển.
  6. Cảm biến siêu âm và LiDAR quét chướng ngại vật trên đường đi; nếu phát hiện nguy hiểm hoặc có tín hiệu từ nút ngắt khẩn cấp, hệ thống kích hoạt chế độ hãm dừng an toàn và gửi báo cáo sự cố lên màn hình.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả kỹ thuật: Hoàn thiện toàn bộ hồ sơ thiết kế sản phẩm cơ điện tử Robot lễ tân từ sơ đồ nguyên lý đến bản vẽ chi tiết các cụm cơ khí (nắp, thân, đáy, khung giá, khay chứa, gá màn hình) và danh mục linh kiện điện tử tương thích.
  • Tính toán động học chính xác: Xác lập mô hình toán học tính toán lực cản chuyển động và công suất động cơ ($114\text{ W}$), làm căn cứ lựa chọn tổ hợp động cơ Planet $120\text{ W} - 24\text{ V} - 70\text{ rpm}$ kết hợp bộ điều khiển Smart PID đáp ứng vận tốc vận hành $0,5\text{ m/s}$.
  • Tích hợp an toàn đa tầng: Thiết kế thành công cơ chế giám sát an toàn kết hợp giữa bảo vệ điện (Relay cách ly, module hạ áp ổn định tải $0,8%$, nút dừng khẩn cấp), bảo vệ quá tải cơ học (Loadcell $1 - 200\text{ kg}$) và an toàn di chuyển (LiDAR Sick 2D, cảm biến siêu âm HC-SR04, cảm biến góc nghiêng MPU-6050).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Báo cáo dừng lại ở giai đoạn thiết kế tính toán lý thuyết, lựa chọn linh kiện, bố trí không gian hình học và xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển; chưa chế tạo mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh để kiểm chứng độ bền động học và sai số định vị trong môi trường nhà hàng thực tế.
  • Hướng phát triển: Chế tạo mẫu thử nghiệm vật lý (prototype), nạp code điều khiển trên phần cứng STM32F407VET6, tích hợp máy tính nhúng để triển khai các thuật toán điều hướng định vị chuyên sâu (AMCL, DWA) và nâng cấp giao tiếp nhận diện giọng nói đa ngôn ngữ.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên và kỹ sư các ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Robot, Tự động hóa và Thiết kế máy:

  • Cung cấp phương pháp luận chuẩn mực về quy trình thiết kế và phát triển sản phẩm cơ điện tử (từ danh sách yêu cầu, phân tích cấu trúc chức năng, lập ma trận hình thái học đến chấm điểm biến thể qua cây mục tiêu).
  • Cung cấp phương pháp tính toán lực cản lăn, lực quán tính và chọn công suất động cơ cho xe tự hành (AGV) và robot di động bánh xe (WMRs).

Câu hỏi thường gặp

1. Biến thể thiết kế nào đã được nhóm tác giả lựa chọn và vì sao?
Nhóm tác giả đã lựa chọn Biến thể 3 sau khi chấm điểm qua cây mục tiêu với tổng điểm cao nhất là $0,507$ (so với Biến thể 1 đạt $0,283$ và Biến thể 2 đạt $0,439$). Biến thể 3 cân bằng tối ưu giữa kết cấu khung vỏ thép chắc chắn, hệ thống bảo vệ an toàn tin cậy và sự kết hợp linh hoạt giữa điều khiển cơ học với màn hình cảm ứng OLED hiện đại.

2. Động cơ dẫn động của robot có thông số kỹ thuật như thế nào?
Robot sử dụng động cơ giảm tốc hành tinh Planet điện áp $24\text{ V}$, công suất định mức $120\text{ W}$ và tốc độ quay $70\text{ rpm}$, được tính toán dựa trên yêu cầu vận tốc xe $0,5\text{ m/s}$, tổng khối lượng tải $42\text{ kg}$ và mô-men xoắn cần thiết khi tăng tốc là $17,1\text{ Nm}$.

3. Hệ thống cảm biến của robot gồm những loại nào và giữ vai trò gì?
Hệ thống gồm: Cảm biến Sick 2D LiDAR TiM150-3010300 (quét tia laser định vị môi trường), cảm biến siêu âm HC-SR04 (phát hiện chướng ngại vật tầm gần), cảm biến gia tốc GY-521 MPU-6050 (đo góc nghiêng và trạng thái di chuyển), cảm biến trọng lượng Loadcell (kiểm soát quá tải hàng hóa trên khay) và Encoder quang học 1000 xung/vòng (đo tốc độ và quãng đường quay của bánh xe).

4. Kết cấu cơ khí chính của robot sử dụng vật liệu gì?
Khung giá đỡ chính được chế tạo từ thép hộp định hình $50 \times 25 \times 2\text{ mm}$; các phần nắp vỏ ($550 \times 405 \times 45\text{ mm}$), thân vỏ ($550 \times 405 \times 220\text{ mm}$) và đáy vỏ ($546 \times 400 \times 93\text{ mm}$) làm từ thép tấm dập định hình sơn tĩnh điện; phần khay chứa đồ ($500 \times 400 \times 20\text{ mm}$) và giá gá màn hình ($355 \times 160 \times 3\text{ mm}$) được chế tạo bằng gỗ.

Kết luận

Báo cáo bài tập lớn "Thiết kế sản phẩm cơ điện tử Robot lễ tân" của nhóm sinh viên Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã thực hiện đầy đủ quy trình thiết kế kỹ thuật hệ thống từ khảo sát nhu cầu, mô hình hóa chức năng, đánh giá lựa chọn biến thể tối ưu đến tính toán cơ học và thiết kế chi tiết kết cấu. Kết quả nghiên cứu xác lập phương án chế tạo hoàn chỉnh với tổ hợp động cơ Planet 120W, vi điều khiển STM32F407VET6, cảm biến an toàn đa tầng và kết cấu khung thép vững chắc, đáp ứng khả năng tải 18 kg phục vụ trong môi trường dịch vụ thương mại. Đây là cơ sở kỹ thuật tin cậy phục vụ công tác chế tạo thử nghiệm mô hình thực tế và phát triển các sản phẩm robot dịch vụ tiếp theo.