Thiết Kế Robot Lễ Tân: Bài Tập Lớn Khoa Cơ Khí Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Và Công Nghệ
• Chuyên ngành: Cơ Khí
• Đề tài: Thiết Kế Robot Lễ Tân
• Loại tài liệu: Bài Tập Lớn
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ THIẾT KẾ
• 1.1. Lịch sử nghiên cứu
• 1.2. Robot lễ tân
• 1.3. Một số ứng dụng và chức năng của Robot lễ tân
• 1.4. Nhu cầu thị trường về Robot lễ tân
• 1.5. Thiết lập danh sách yêu cầu
• 2. THIẾT KẾ SƠ BỘ
• 2.1. Xác định các vấn đề cơ bản
• 2.2. Thiết lập cấu trúc chức năng
• 2.2.1. Cấu trúc chức năng tổng thể
• 2.2.2. Cấu trúc chức năng con
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan dự án thiết kế Robot Lễ Tân Khoa Cơ Khí

Dự án thiết kế Robot Lễ Tân là một bài tập lớn tiêu biểu trong ngành Cơ Điện Tử, thể hiện sự giao thoa giữa kỹ thuật cơ khí, điều khiển tự động và công nghệ thông tin. Trong bối cảnh công nghiệp 4.0, các robot dịch vụ đang ngày càng trở nên phổ biến, giúp tối ưu hóa vận hành và nâng cao trải nghiệm khách hàng. Đề tài này không chỉ giúp sinh viên áp dụng kiến thức lý thuyết vào thực tiễn mà còn rèn luyện tư duy hệ thống, từ khâu lên ý tưởng, phân tích yêu cầu, đến thiết kế chi tiết và chế tạo sản phẩm hoàn chỉnh. Một robot lễ tân hiệu quả phải là một robot tự hành, có khả năng di chuyển linh hoạt, tương tác với con người và thực hiện các nhiệm vụ được giao một cách chính xác. Quá trình thiết kế bao gồm việc tính toán, lựa chọn các cơ cấu cơ khí như hệ thống truyền động, khung vỏ, đồng thời tích hợp các hệ thống nhúng phức tạp sử dụng vi điều khiển để xử lý thông tin từ cảm biến và điều khiển cơ cấu chấp hành. Đề tài này cũng mở ra cơ hội nghiên cứu các công nghệ tiên tiến như xử lý ảnh để nhận diện, xử lý ngôn ngữ tự nhiên (NLP) để giao tiếp, tạo tiền đề cho các sản phẩm thương mại hóa trong tương lai. Sự thành công của dự án phụ thuộc vào khả năng kết hợp hài hòa giữa phần cứng và phần mềm, tạo ra một sản phẩm ổn định, hiệu quả và đáp ứng đúng nhu cầu thị trường.

1.1. Giới thiệu mô hình Robot Lễ Tân trong hệ thống Cơ Điện Tử

Robot lễ tân là một sản phẩm điển hình của ngành cơ điện tử, tích hợp nhiều lĩnh vực kỹ thuật. Về cơ bản, nó là một robot tự hành được thiết kế để thực hiện các chức năng của một nhân viên lễ tân trong môi trường như nhà hàng, khách sạn, hoặc văn phòng. Cấu trúc của robot bao gồm ba phần chính: phần cơ khí, phần điện - điện tử, và phần mềm điều khiển. Phần cơ khí chịu trách nhiệm về hình dáng, kết cấu và khả năng di chuyển, thường được thiết kế 3D trên Solidworks trước khi gia công. Phần điện tử là bộ não của robot, bao gồm vi điều khiển (như STM32 hoặc Arduino), các loại cảm biến (cảm biến siêu âm, Lidar, camera), mạch điều khiển động cơ và hệ thống nguồn. Phần mềm điều khiển thực thi các thuật toán phức tạp cho phép robot định vị, tránh vật cản, và thực hiện tương tác người-máy (HRI). Mô hình này là một ví dụ xuất sắc về cách các hệ thống cơ, điện và tin học phối hợp để tạo ra một cỗ máy thông minh.

1.2. Phân tích nhu cầu thị trường và tính ứng dụng của Đồ án Cơ khí

Nhu cầu thị trường đối với robot dịch vụ tại Việt Nam đang tăng trưởng mạnh mẽ, đặc biệt trong các ngành dịch vụ, nhà hàng và sản xuất. Theo tài liệu nghiên cứu, số lượng robot được lắp đặt đã tăng đáng kể từ năm 2018 đến 2022 (Hình 1.5). Đồ án cơ khí về robot lễ tân đáp ứng trực tiếp xu hướng này bằng cách tạo ra một giải pháp tự động hóa giúp giảm chi phí nhân công và nâng cao hiệu quả phục vụ. Các ứng dụng thực tiễn rất đa dạng: robot có thể chào đón khách, hướng dẫn vào bàn, nhận đơn hàng, và vận chuyển đồ ăn. Cuộc khảo sát thị trường trong đề tài cho thấy người dùng có yêu cầu cao về tính an toàn (72.5%), dễ điều khiển (78.4%) và thiết kế thân thiện (62.7%). Do đó, việc phát triển một sản phẩm đáp ứng các tiêu chí này không chỉ có giá trị học thuật mà còn có tiềm năng thương mại lớn, tạo ra lợi thế cạnh tranh cho các doanh nghiệp.

II. Phân tích yêu cầu kỹ thuật cho Đồ án Robot Lễ Tân

Để bắt đầu thiết kế Robot Lễ Tân, bước đầu tiên và quan trọng nhất là thiết lập một danh sách yêu cầu kỹ thuật chi tiết. Đây là nền tảng để định hình cấu trúc, lựa chọn linh kiện và xây dựng thuật toán. Dựa trên tài liệu gốc (Bảng 1.1), các yêu cầu được chia thành nhiều nhóm chính. Về cơ khí, robot cần có kích thước phù hợp (cao 1200-1350mm), khung máy chắc chắn và chịu được tải trọng hàng hóa tối đa 18kg. Về động học, tốc độ di chuyển cần được kiểm soát trong khoảng 70-90 RPM. Hệ thống điện phải an toàn, sử dụng pin 24V-36V và có các cơ chế bảo vệ ngắn mạch. Giao diện người dùng là một yếu tố quan trọng, đòi hỏi robot phải có màn hình hiển thị, khả năng điều khiển bằng giọng nói và hỗ trợ đa ngôn ngữ. Một trong những thách thức lớn nhất của đồ án cơ khí này là việc tích hợp các module chức năng phức tạp như kiểm soát quá tải bằng cảm biến Loadcell và đảm bảo an toàn vận hành. Việc phân tích kỹ lưỡng các yêu cầu này giúp xác định rõ các vấn đề cần giải quyết, từ đó xây dựng được một cấu trúc chức năng tổng thể và các cấu trúc con hợp lý, đảm bảo robot hoạt động ổn định và hiệu quả.

2.1. Xây dựng cấu trúc chức năng tổng thể và chức năng con

Từ danh sách yêu cầu, một cấu trúc chức năng tổng thể được thiết lập để mô tả luồng năng lượng, tín hiệu và vật liệu của hệ thống. Theo Sơ đồ 2.2 trong tài liệu, robot nhận tín hiệu điều khiển và điện năng làm đầu vào, sau đó xử lý để thực hiện dịch vụ đã chọn. Cấu trúc này được chia nhỏ thành các chức năng con để dễ dàng thiết kế và quản lý. Các chức năng con quan trọng bao gồm: cung cấp điện năng (biến áp, chống ngắn mạch), dẫn động (hệ thống truyền động, giảm tốc), chuyển đổi điện-cơ, chọn chế độ điều khiển, kiểm soát vị trí và hãm an toàn. Mỗi chức năng con được mô tả bằng một sơ đồ riêng, làm rõ nhiệm vụ và mối liên hệ với các chức năng khác. Phương pháp này giúp hệ thống hóa quá trình thiết kế, đảm bảo không bỏ sót bất kỳ nhiệm vụ nào của robot tự hành.

2.2. Lựa chọn biến thể thiết kế tối ưu cho robot dịch vụ

Sau khi xác định cấu trúc chức năng, bước tiếp theo là phát triển và đánh giá các biến thể thiết kế khác nhau. Tài liệu gốc đề xuất ba biến thể chính, mỗi biến thể là một sự kết hợp của các giải pháp công nghệ cho từng chức năng. Biến thể 1 có thiết kế cổ điển, sử dụng vật liệu thép và ít công nghệ. Biến thể 2 hiện đại hơn, sử dụng nhôm và tích hợp nhiều công nghệ như điều khiển bằng giọng nói, màn hình OLED. Biến thể 3 là sự kết hợp cân bằng giữa hai phương án trên. Để lựa chọn phương án tối ưu, một hệ thống tiêu chí đánh giá (Hình 2.13) được xây dựng, bao gồm độ an toàn hệ thống điện, kết cấu cơ khí, và khả năng ứng biến. Sau khi chấm điểm, biến thể 3 đạt số điểm cao nhất (0.507), chứng tỏ đây là giải pháp tối ưu nhất, cân bằng giữa chi phí, công nghệ và hiệu quả. Lựa chọn này định hướng cho toàn bộ giai đoạn thiết kế chi tiết sau đó.

III. Hướng dẫn thiết kế cơ khí và hệ thống điện Robot

Giai đoạn thiết kế cụ thể là lúc các ý tưởng từ thiết kế sơ bộ được hiện thực hóa thành các bản vẽ và linh kiện cụ thể. Quá trình này bắt đầu bằng việc bố trí hình học (layout) tổng thể cho robot (Hình 3.5), sắp xếp vị trí các nhóm chức năng như nhóm năng lượng, nhóm dẫn động, nhóm xử lý và nhóm hiển thị một cách khoa học. Việc này đảm bảo robot hoạt động ổn định và dễ dàng cho việc bảo trì. Phần cơ khí, bao gồm khung, vỏ, và các khay chứa đồ, được mô hình hóa chi tiết bằng phần mềm thiết kế 3D Solidworks, như được thể hiện qua các bản vẽ kỹ thuật (Hình 3.23 - 3.28). Vật liệu chính được lựa chọn là thép hộp và tấm thép, vừa đảm bảo độ cứng vững, vừa dễ gia công. Song song với đó, hệ thống điện được thiết kế cẩn thận, từ việc lựa chọn pin, mạch bảo vệ, cho đến các mạch điều khiển động cơ. Việc tính toán và lựa chọn động cơ là cực kỳ quan trọng, đảm bảo robot có đủ công suất để di chuyển với tải trọng tối đa. Đây là phần cốt lõi của một đồ án cơ khí, đòi hỏi sự chính xác và kiến thức chuyên sâu về kỹ thuật.

3.1. Tính toán và lựa chọn động cơ cho hệ thống truyền động

Để robot di chuyển ổn định, việc lựa chọn động cơ phù hợp là yếu tố then chốt. Dựa trên khối lượng ước tính của robot (15kg) và hàng hóa (18kg), tài liệu đã tiến hành phân tích lực chi tiết. Công suất cần thiết để robot di chuyển ổn định với vận tốc 0.5 m/s được tính toán là 3.1W, nhưng khi tăng tốc, công suất yêu cầu lên tới 114W. Do đó, động cơ được chọn phải đáp ứng được yêu cầu này. Đề tài đã lựa chọn động cơ giảm tốc Planet 24V với công suất 120W và tốc độ 70rpm (Bảng 3.7), đây là lựa chọn hợp lý, đảm bảo robot vận hành mạnh mẽ và bền bỉ. Hệ thống truyền động trực tiếp từ động cơ đến bánh xe được sử dụng để tối ưu hiệu suất và giảm độ phức tạp cơ khí.

3.2. Lựa chọn linh kiện điện tử chủ chốt và cảm biến thông minh

Hệ thống điện tử là trái tim của robot. Các linh kiện được lựa chọn cẩn thận để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy. Pin sạc Nitecore 18650 được sử dụng để cung cấp nguồn. Để đảm bảo an toàn, hệ thống được trang bị nút dừng khẩn cấp và mạch bảo vệ chống quá tải, quá xả. Đối với khả năng nhận biết môi trường, cảm biến Lidar (TIM150) được dùng để quét không gian 2D, giúp robot xây dựng bản đồ và định vị. Bổ trợ cho Lidar là các cảm biến siêu âm HC-SR04 để phát hiện vật cản ở cự ly gần. Ngoài ra, cảm biến gia tốc MPU-6050 giúp theo dõi trạng thái chuyển động của robot. Việc lựa chọn các linh kiện tiêu chuẩn này giúp quá trình lắp ráp và thay thế trở nên dễ dàng hơn.

IV. Bí quyết lập trình Robot Lễ Tân với vi điều khiển

Phần hồn của Robot Lễ Tân nằm ở hệ thống điều khiển và phần mềm. Đây là nơi tất cả các thuật toán thông minh được thực thi để biến một cỗ máy cơ khí thành một trợ lý tự hành. Trung tâm xử lý của robot trong dự án này là vi điều khiển STM32F407VET6, một lựa chọn mạnh mẽ với tốc độ xử lý cao và nhiều ngoại vi, phù hợp cho các ứng dụng hệ thống nhúng phức tạp. Quá trình lập trình robot bao gồm việc phát triển mã nguồn cho từng module chức năng: nhận dữ liệu từ cảm biến, xử lý tín hiệu, và xuất lệnh điều khiển tới cơ cấu chấp hành như động cơ. Một trong những phần phức tạp nhất là xây dựng thuật toán di chuyển và tránh vật cản, kết hợp dữ liệu từ Lidar và cảm biến siêu âm. Lưu đồ thuật toán của hệ thống (Hình 3.33) đã mô tả một cách logic quy trình hoạt động của robot: từ khởi tạo, chọn chế độ làm việc (tự động hoặc thủ công), kiểm soát vị trí, giám sát hành trình và xử lý các tình huống khẩn cấp. Việc tích hợp trí tuệ nhân tạo cho robot ở mức độ cơ bản, chẳng hạn như thuật toán tìm đường, là một điểm nhấn quan trọng, cho thấy tiềm năng phát triển của dự án.

4.1. Vai trò của vi điều khiển STM32 trong việc xử lý tín hiệu

Trong bài tập lớn này, vi điều khiển STM32F407VET6 đóng vai trò là bộ não trung tâm. Nó nhận tín hiệu đầu vào từ hàng loạt cảm biến: dữ liệu khoảng cách từ cảm biến Lidar và cảm biến siêu âm, dữ liệu xung từ Encoder để xác định tốc độ động cơ, và tín hiệu từ màn hình cảm ứng. Sau khi nhận, STM32 sẽ thực thi các thuật toán đã được lập trình để xử lý các tín hiệu này. Ví dụ, nó sẽ tính toán vị trí hiện tại của robot, phát hiện vật cản và quyết định hướng di chuyển tiếp theo. Sau đó, nó xuất tín hiệu điều khiển PWM (Pulse Width Modulation) đến module L298n hoặc Driver Smart PID để điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ. Khả năng xử lý mạnh mẽ của STM32 cho phép robot phản ứng nhanh và chính xác với môi trường xung quanh.

4.2. Phân tích lưu đồ thuật toán hệ thống điều khiển robot tự hành

Lưu đồ thuật toán (Hình 3.33) là bản thiết kế cho phần mềm của robot, mô tả logic hoạt động một cách trực quan. Quá trình bắt đầu với việc Khởi tạo chương trình hệ thống, nơi các biến, cổng I/O và các ngoại vi được thiết lập. Tiếp theo, hệ thống vào vòng lặp chính để Chọn chế độ làm việc. Người dùng có thể chọn chế độ tự động hoặc điều khiển tay. Trong chế độ tự động, robot sẽ Lựa chọn dịch vụ từ màn hình cảm ứng, sau đó bắt đầu Khởi chạy chương trình. Trong suốt quá trình di chuyển, robot liên tục Kiểm soát vị trí và Giám sát hành trình sử dụng dữ liệu từ cảm biến. Đồng thời, một vòng lặp kiểm tra song song Kiểm tra quá tải và các tín hiệu Dừng khẩn cấp. Nếu phát hiện sự cố, hệ thống sẽ dừng lại và báo cáo. Logic này đảm bảo robot tự hành hoạt động một cách an toàn và hiệu quả.

V. Kết quả và cấu trúc tổng thể của Robot Lễ Tân Cơ khí

Sau quá trình phân tích, thiết kế và lựa chọn linh kiện, cấu trúc tổng thể của Robot Lễ Tân đã được hoàn thiện. Sản phẩm cuối cùng là một hệ thống cơ điện tử tích hợp chặt chẽ, thể hiện qua sơ đồ tổng thể của hệ thống (Hình 3.32). Sơ đồ này cho thấy mối liên kết giữa các thành phần cốt lõi: khối nguồn (Pin Lipo) cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống; bộ não xử lý trung tâm (Vi điều khiển STM32) kết nối và điều phối hoạt động của tất cả các module khác; các cảm biến (Lidar, siêu âm, Encoder) đóng vai trò là giác quan của robot; và cơ cấu chấp hành (động cơ) thực hiện việc di chuyển. Màn hình cảm ứng là giao diện chính cho tương tác người-máy (HRI), cho phép người dùng lựa chọn dịch vụ và nhận thông tin. Kết quả của bài tập lớn này không chỉ là một sản phẩm vật lý mà còn là một bộ tài liệu thiết kế hoàn chỉnh, bao gồm các bản vẽ cơ khí, sơ đồ mạch điện và lưu đồ thuật toán. Đây là minh chứng cho khả năng ứng dụng kiến thức tổng hợp của sinh viên khoa Cơ khí để giải quyết một bài toán kỹ thuật thực tế, tạo ra một robot dịch vụ có tiềm năng ứng dụng cao.

5.1. Sơ đồ hệ thống và sự tương tác giữa các khối chức năng

Sơ đồ tổng thể hệ thống (Hình 3.32) là một bản tóm tắt trực quan về kiến trúc của robot. Trung tâm là khối xử lý trung tâm (STM32). Khối này nhận nguồn từ khối nguồn và giao tiếp hai chiều với khối hiển thị (màn hình) và khối cảm biến (Lidar, siêu âm, Encoder). Dựa trên thông tin nhận được và lệnh từ người dùng, khối xử lý sẽ gửi tín hiệu điều khiển đến khối động cơ (thông qua driver) để thực hiện việc di chuyển. Sự tương tác chặt chẽ này đảm bảo robot có thể nhận biết môi trường, thực hiện mệnh lệnh và di chuyển một cách đồng bộ. Cấu trúc module hóa này cũng giúp việc gỡ lỗi và nâng cấp hệ thống trong tương lai trở nên dễ dàng hơn.

5.2. Đánh giá sản phẩm so với mục tiêu thiết kế ban đầu

Đối chiếu sản phẩm hoàn thiện với danh sách yêu cầu ban đầu (Bảng 1.1), có thể thấy dự án đã đáp ứng được phần lớn các mục tiêu đề ra. Về cơ khí, kích thước và tải trọng của robot tuân thủ đúng thiết kế. Hệ thống điện hoạt động ổn định và có các cơ chế an toàn cần thiết. Hệ thống truyền động với động cơ đã chọn cung cấp đủ sức mạnh cho robot di chuyển mượt mà. Giao diện màn hình cảm ứng cho phép người dùng thao tác dễ dàng. Tuy nhiên, một số chức năng nâng cao như điều khiển bằng giọng nói hay tích hợp các ngôn ngữ phức tạp có thể cần thêm thời gian để hoàn thiện. Nhìn chung, báo cáo bài tập lớn này đã thành công trong việc tạo ra một nguyên mẫu robot lễ tân hoạt động được, làm nền tảng vững chắc cho các cải tiến và phát triển sau này.

VI. Hướng phát triển cho Đồ án Robot Lễ Tân trong tương lai

Dự án thiết kế Robot Lễ Tân này là một nền tảng vững chắc, mở ra nhiều hướng phát triển tiềm năng trong tương lai. Để nâng cao khả năng tương tác và sự thông minh của robot, việc tích hợp các công nghệ trí tuệ nhân tạo (AI) là hướng đi tất yếu. Có thể nâng cấp bộ xử lý lên các bo mạch mạnh hơn như Raspberry Pi hoặc Jetson Nano để triển khai các thuật toán phức tạp. Một trong những cải tiến quan trọng nhất là trang bị khả năng nhận diện khuôn mặt bằng cách sử dụng thư viện xử lý ảnh như OpenCV. Tính năng này cho phép robot nhận ra khách hàng quen, cá nhân hóa lời chào và dịch vụ. Bên cạnh đó, việc tích hợp một hệ thống xử lý ngôn ngữ tự nhiên (NLP) tiên tiến sẽ giúp robot hiểu và phản hồi các câu hỏi của con người một cách tự nhiên hơn, thay vì chỉ thực hiện các lệnh có sẵn. Về mặt cơ khí, có thể nghiên cứu các vật liệu nhẹ hơn để giảm trọng lượng và tối ưu hóa thiết kế để tăng tính thẩm mỹ. Những cải tiến này sẽ giúp biến một đồ án cơ khí của sinh viên thành một sản phẩm robot dịch vụ hoàn chỉnh, sẵn sàng cạnh tranh trên thị trường.

6.1. Tích hợp Trí tuệ nhân tạo Xử lý ảnh và Ngôn ngữ tự nhiên

Để robot trở nên 'thông minh' hơn, việc tích hợp trí tuệ nhân tạo cho robot là bước đi tiếp theo. Module nhận diện khuôn mặt có thể được phát triển bằng cách sử dụng camera và các mô hình học sâu (deep learning). Khi nhận diện được một khuôn mặt đã có trong cơ sở dữ liệu, robot có thể truy xuất thông tin và chào hỏi một cách cá nhân. Về giao tiếp, hệ thống xử lý ngôn ngữ tự nhiên (NLP) sẽ cho phép robot hiểu các câu lệnh và câu hỏi đa dạng của người dùng bằng tiếng Việt, thay vì chỉ giới hạn ở các nút bấm. Việc này đòi hỏi một bộ xử lý mạnh mẽ hơn STM32, ví dụ như Raspberry Pi, để chạy các mô hình AI. Sự kết hợp này sẽ cải thiện đáng kể trải nghiệm tương tác người-máy (HRI).

6.2. Tối ưu hóa thiết kế cơ khí và khả năng mô phỏng robot

Mặc dù thiết kế hiện tại đã đáp ứng yêu cầu, vẫn có không gian để tối ưu hóa. Có thể sử dụng các vật liệu composite hoặc hợp kim nhôm để giảm trọng lượng tổng thể, giúp tiết kiệm năng lượng và tăng thời gian hoạt động của pin. Trước khi sản xuất hàng loạt, việc thực hiện mô phỏng robot trên các phần mềm chuyên dụng như Gazebo hoặc ROS (Robot Operating System) là rất cần thiết. Mô phỏng cho phép kiểm tra các thuật toán điều khiển trong một môi trường ảo, giúp phát hiện lỗi và tinh chỉnh hiệu suất mà không cần can thiệp vào phần cứng thực tế. Quá trình này giúp rút ngắn thời gian phát triển, giảm chi phí và đảm bảo sản phẩm cuối cùng hoạt động ổn định và hiệu quả hơn trong môi trường thực.