Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đại dịch COVID-19 bùng phát từ cuối năm 2019 do chủng virus SARS-CoV-2 gây ra đã lan rộng trên quy mô toàn cầu và tác động nghiêm trọng đến hệ thống y tế. Tại Việt Nam, đặc biệt là đợt bùng phát dịch tại Thành phố Hồ Chí Minh vào giữa năm 2021 (tính đến ngày 12/8/2021 đã ghi nhận 135.930 ca nhiễm được Bộ Y tế công bố), công tác khử khuẩn môi trường cách ly và bệnh viện điều trị trở thành nhiệm vụ cấp thiết nhằm ngăn chặn chuỗi lây nhiễm.

Trong quy trình khử khuẩn truyền thống, nhân viên y tế phải trực tiếp mang vác bình xịt hóa chất hoặc vận hành thiết bị phun cầm tay trong môi trường có nguy cơ lây nhiễm cao. Mặc dù được trang bị đồ bảo hộ chuyên dụng, nguy cơ lây nhiễm chéo vẫn hiện hữu, đồng thời việc tiếp xúc liên tục với hóa chất khử khuẩn nồng độ cao (như dung dịch Cloramin B) gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe lâu dài của nhân lực y tế. Bên cạnh đó, tình trạng thiếu hụt trang phục bảo hộ và nhân lực trực tiếp tham gia khử khuẩn tại các bệnh viện dã chiến, khu cách ly đặt ra yêu cầu phải có giải pháp cơ giới hóa và tự động hóa.

Đề tài "Thiết kế chế tạo robot phun thuốc khử trùng" được thực hiện bởi nhóm sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, dưới sự hướng dẫn của ThS. Lê Thanh Tùng (tháng 8/2021) nhằm giải quyết bài toán trên.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể gồm 3 nội dung:

  1. Nghiên cứu, đề xuất nguyên lý điều khiển robot.
  2. Tính toán và thiết kế mô hình robot phun thuốc khử trùng.
  3. Chế tạo thử nghiệm mô hình robot phun thuốc khử trùng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu cơ khí của xe tự hành (mobile robot), hệ thống truyền động xích, hệ thống bơm phun sương hóa chất, mạch điều khiển trung tâm và giao tiếp không dây điều khiển từ xa.
  • Phạm vi nghiên cứu: Mô hình robot di động phục vụ khử trùng môi trường nội khu, bệnh viện và khu cách ly; điều khiển không dây tầm gần và trung bình qua giao thức mạng không dây (Wi-Fi), ứng dụng hóa chất khử trùng Cloramin B.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng tích hợp giữa cơ học máy, lý thuyết điều khiển tự động và công nghệ cơ điện tử:

  • Nguyên lý Mobile Robot (Robot di động): Cơ cấu di chuyển bằng bánh xe dẫn động độc lập hai bên (vi sai), cho phép robot chuyển hướng linh hoạt bằng cách điều chỉnh vận tốc tương đối giữa hai động cơ trái và phải.
  • Nguyên lý phun khử khuẩn y tế: Sử dụng hóa chất Cloramin B ($C_6H_5SO_2NClNa$ chứa khoảng 25% ion Clo hoạt tính) được tạo áp lực qua bơm tăng áp và tán nhỏ thành dạng bụi sương qua béc phun chuyên dụng nhằm tối ưu hóa diện tích tiếp xúc và độ bao phủ bề mặt diệt khuẩn.
  • Lý thuyết tính toán truyền động cơ khí: Áp dụng hệ thống công thức tính toán động cơ điện, bộ truyền xích con lăn, chọn ổ lăn đỡ theo các tiêu chuẩn tính toán thiết kế chi tiết máy truyền thống (theo tài liệu chuyên ngành của Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, Hà Văn Vui).

Phương pháp nghiên cứu

Đồ án kết hợp các phương pháp nghiên cứu kỹ thuật thực nghiệm:

  • Thu thập và tổng hợp tài liệu: Khảo sát thực tế các công đoạn phun thuốc khử khuẩn của nhân viên y tế, phân tích các mẫu robot đã triển khai tại Bệnh viện Dã chiến Củ Chi và Bệnh viện Bệnh Nhiệt đới TP.HCM (như mẫu robot 7C DISINFECT).
  • Tính toán giải tích: Tính toán tải trọng, lực cản chuyển động, moment kéo, công suất động cơ dẫn động và chọn tỷ số truyền.
  • Mô phỏng cơ khí: Ứng dụng phần mềm SolidWorks để thiết kế mô hình 3D tổng thể, phân tích ứng suất và chuyển vị của khung đế robot nhằm đảm bảo độ bền kết cấu dưới tải trọng làm việc.
  • Thiết kế phần cứng và lập trình nhúng: Xây dựng mạch điều khiển đa khối, tích hợp vi điều khiển ATmega328 (Arduino Uno R3) với module Wi-Fi ESP8266 NodeMCU, mạch cầu H BTS7960 và module định vị GPS NEO-6M.
  • Chế tạo và thử nghiệm thực tế: Gia công cơ khí, lắp ráp hệ thống điện - điện tử, nạp chương trình điều khiển và tiến hành thử nghiệm vận hành trên các bề mặt địa hình khác nhau.

Thiết kế kỹ thuật và triển khai hệ thống

1. Tính toán động lực học và lựa chọn động cơ

Hệ thống di chuyển được tính toán với khối lượng thiết kế ban đầu $m = 50\text{ kg}$, vận tốc tối đa $v = 0{,}4\text{ m/s}$, thời gian tăng tốc $\Delta t = 1\text{ s}$ ($a = 0{,}4\text{ m/s}^2$).

Hệ lực tác dụng khi robot chuyển động thẳng bao gồm trọng lực $P$, phản lực $N$, lực kéo động cơ $F$ và lực ma sát lăn $F_{ms}$ ($\mu = 0{,}1$):

  • Khi tăng tốc: $F = F_{ms} + F_{qt} = \mu mg + ma = (0{,}1 \times 50 \times 10) + (50 \times 0{,}4) = 70\text{ N}$.
  • Khi chuyển động đều: $F = F_{ms} = \mu mg = 50\text{ N}$.

Lực kéo cực đại $F_{max} = 70\text{ N}$ xác định công suất cực đại của trục công tác là $P = F \times v = 70 \times 0{,}4 = 28\text{ W}$. Do robot sử dụng 2 động cơ dẫn động cho hai cụm bánh riêng biệt, công suất yêu cầu trên mỗi trục công tác là $P_{lv} = 14\text{ W}$.

Thông số động cơ được chọn Giá trị
Mã hiệu động cơ DCM50-775 12VDC
Điện áp hoạt động 12 VDC
Khối lượng 650 g
Công suất định mức 60 W
Tốc độ không tải 6000 vòng/phút
Tỉ số truyền hộp giảm tốc 116:1
Tốc độ đầu ra qua giảm tốc 50 vòng/phút

2. Thiết kế bộ truyền động xích và ổ lăn

Hệ thống dẫn động từ động cơ đến các trục bánh xe thông qua hai cấp truyền xích con lăn với tỉ số truyền tổng $u_{ch} = 1$ ($u_1 = 1, u_2 = 1$). Đường kính bánh xe dẫn động được chọn là $d = 150\text{ mm} = 0{,}15\text{ m}$.

Thông số bộ truyền Cấp 1 (Động cơ - Trục trung gian) Cấp 2 (Trục trung gian - Trục bánh xe)
Tỉ số truyền ($u$) 1 1
Bước xích ($p_c$) 6,35 mm 6,35 mm
Số răng đĩa xích dẫn/bị dẫn ($z$) $z_1 = 11;\ z_2 = 11$ $z_3 = 11;\ z_4 = 11$
Số mắt xích ($X$) 32 mắt 58 mắt
Khoảng cách trục ($a$) 65 mm 146 mm
Đường kính vòng chia ($d$) 22,54 mm 22,54 mm
Đường kính vòng đỉnh ($d_a$) 25,00 mm 25,00 mm
Đường kính vòng đáy ($d_f$) 19,40 mm 19,50 mm
Lực vòng có ích ($F_t$) 250 N 250 N
Lực tác dụng lên trục ($F_r$) 287,5 N 287,5 N

Hệ thống sử dụng ổ bi đỡ 1 dãy NSK mã hiệu 608zz cho các trục truyền động ($d = 8\text{ mm}, D = 22\text{ mm}, B = 7\text{ mm}$, tải trọng động $C = 3{,}3\text{ kN}$, tải trọng tĩnh $C_0 = 1{,}37\text{ kN}$).

3. Phân tích kết cấu khung vỏ và hệ thống nguồn

  • Khung vỏ cơ khí: Khung đế có khối lượng $9{,}5\text{ kg}$, vật liệu kim loại chịu lực. Kết quả phân tích ứng suất trên phần mềm cho thấy ứng suất lớn nhất đạt $1{,}627 \times 10^7\text{ N/m}^2$, chuyển vị lớn nhất đạt $0{,}1636\text{ mm}$, đảm bảo giới hạn bền và độ cứng vững khi tải.
  • Hệ thống bơm phun: Sử dụng bơm tăng áp mini 12VDC, công suất $40\text{ W}$, lưu lượng tối đa $3{,}5\text{ lít/phút}$, áp lực nước ra $0{,}55\text{ MPa}$, áp lực nước vào $0{,}2\text{ MPa}$.
  • Nguồn cấp: Hệ thống sử dụng bình ắc quy 12V - 10Ah (kích thước $150 \times 88 \times 132\text{ mm}$, khối lượng $4{,}26\text{ kg}$). Tổng công suất tiêu thụ của toàn bộ robot khi hoạt động đồng thời (2 động cơ di chuyển, 1 bơm tăng áp, mạch điều khiển và chiết áp) là khoảng $210\text{ W}$.

4. Hệ thống điều khiển và truyền thông

  • Khối xử lý trung tâm: Arduino Uno R3 (vi điều khiển ATmega328, xung nhịp 16 MHz, 14 chân I/O số, 6 kênh PWM, 6 kênh ADC 10-bit), đóng vai trò nhận tín hiệu, xử lý thuật toán và phát xung điều khiển các cơ cấu chấp hành.
  • Khối truyền thông: Module Wi-Fi ESP8266 NodeMCU kết nối với điện thoại thông minh Android qua giao thức mạng không dây (tần số 2,4 GHz, chuẩn IEEE 802.11 b/g/n), nhận lệnh điều khiển hướng di chuyển và trạng thái bơm từ giao diện người dùng.
  • Khối điều khiển động cơ (Driver): Mạch công suất BTS7960 43A (cầu H kép) hỗ trợ dòng tải liên tục cao, nhận tín hiệu điều chế độ rộng xung (PWM) từ Arduino để đảo chiều và điều khiển tốc độ của hai động cơ DC độc lập.
  • Khối định vị: Module GPS NEO-6M 7N APM2.5 truyền nhận tọa độ địa lý qua giao tiếp UART để giám sát vị trí thiết bị.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu đề tài

Chương 1 làm rõ tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh đỉnh dịch COVID-19 giữa năm 2021 tại TP.HCM. Tác giả tổng hợp tình hình nghiên cứu thực tế về các mô hình robot khử khuẩn đã bước đầu được thử nghiệm tại Việt Nam, tiêu biểu là các robot của "Vườn ươm sáng tạo" (Bệnh viện Quân dân Y miền Đông) triển khai tại Bệnh viện Dã chiến Củ Chi và Bệnh viện Bệnh Nhiệt đới TP.HCM (Robot 7C DISINFECT điều khiển qua tay cầm Flysky hoặc web). Từ đó, đồ án xác định rõ 3 nhiệm vụ nghiên cứu và đề ra quy trình thực hiện 8 bước từ khảo sát dữ liệu, tính toán thiết kế, mô phỏng đến chế tạo thử nghiệm mô hình thực tế.

Chương 2: Tổng quan và cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày chi tiết về quy trình an toàn 5 bước khi phun hóa chất khử khuẩn của nhân viên y tế, cấu tạo và nhược điểm của các thiết bị phun cầm tay (bình xịt bơm tay 5–25 lít) cũng như xe phun chuyên dụng cỡ lớn của quân đội. Nội dung chương phân tích sâu nguyên lý hoạt động của dòng robot di động (Mobile robot), các dạng béc phun sương và cơ chế tiêu diệt mầm bệnh của hóa chất Cloramin B ($C_6H_5SO_2NClNa$). Trên cơ sở đó, nhóm tác giả đề xuất mô hình tích hợp gồm: khung cơ khí di động bánh xích/bánh lốp, bình chứa hóa chất, bơm áp lực mini, béc phun sương và bộ điều khiển từ xa qua sóng không dây.

Chương 3: Tính toán thiết kế

Chương 3 là phần trọng tâm kỹ thuật của đồ án, bao gồm toàn bộ quá trình tính toán cơ - điện:

  • Lập bảng thông số thiết kế mục tiêu: kích thước $50 \times 40 \times 50\text{ cm}$, khối lượng dự kiến $50\text{ kg}$, diện tích phun $160\text{ m}^2$, bán kính phun $0{,}8 - 1\text{ m}$, vận tốc $0{,}4\text{ m/s}$.
  • Thiết lập phương trình động lực học theo định luật II Newton, tính chọn động cơ DCM50-775 12V 60W.
  • Thiết kế chi tiết 2 cấp truyền xích con lăn bước xích $p_c = 6{,}35\text{ mm}$, chọn ổ bi NSK 608zz.
  • Tính chọn bơm tăng áp mini 12V 40W (lưu lượng 3,5 L/phút) và ắc quy 12V 10Ah.
  • Mô phỏng ứng suất khung đạt cực đại $1{,}627 \times 10^7\text{ N/m}^2$, chuyển vị cực đại $0{,}1636\text{ mm}$.
  • Xây dựng sơ đồ khối hệ thống, thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch Arduino Uno R3, NodeMCU ESP8266, mạch cầu H BTS7960, GPS NEO-6M và lưu đồ giải thuật điều khiển toàn hệ thống.

Chương 4: Hình ảnh hoàn thiện sản phẩm

Chương 4 tổng hợp các bảng thông số kỹ thuật thực tế sau khi chế tạo, bố trí cơ khí (hộp điều khiển đặt ở đầu xe để chống nước, hệ thống bơm đặt ở đuôi xe, bình ắc quy và động cơ đặt ở trung tâm). Chương này ghi nhận toàn bộ quá trình thử nghiệm thực nghiệm: thử nghiệm quay bánh xe, căn chỉnh độ chùng của xích tải khi cố định ổ lăn, khắc phục lỗi đồng bộ truyền thông điện tử, và thử nghiệm khả năng di chuyển trên bề mặt gồ ghề cũng như đánh giá các sai lệch giữa thực nghiệm và lý thuyết.

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

Chương 5 tổng kết mức độ hoàn thành các mục tiêu ban đầu của đồ án, chỉ ra các giới hạn về mặt gia công cơ khí do điều kiện hạn chế trong giai đoạn giãn cách xã hội vì dịch bệnh, đồng thời đề xuất các hướng nâng cấp mở rộng tính năng cho robot trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả thực nghiệm cụ thể

Sản phẩm chế tạo thực tế đã được vận hành thử nghiệm và thu được các thông số kỹ thuật thực tế so với thiết kế:

Hạng mục thông số Giá trị thiết kế dự kiến Giá trị thực tế đạt được
Kích thước tổng thể $50 \times 40 \times 50\text{ cm}$ $50 \times 40 \times 50\text{ cm}$
Khối lượng toàn bộ $50\text{ kg}$ $45\text{ kg}$ (nhẹ hơn dự kiến 5 kg)
Tầm phun cao $0{,}8 - 1{,}0\text{ m}$ Đạt xấp xỉ $1{,}2\text{ m}$ (vượt dự kiến)
Diện tích phun một lần Khoảng $160\text{ m}^2$ Đạt yêu cầu theo dung tích bình chứa
Thời gian làm việc Khoảng 20–30 phút (tính toán) Đạt xấp xỉ $1\text{ giờ}$
Bán kính điều khiển Wi-Fi $30 - 50\text{ m}$ Phụ thuộc vào vật cản môi trường
Vận tốc di chuyển tối đa $0{,}4\text{ m/s}$ Đạt dưới $0{,}4\text{ m/s}$ khi chịu tải thực tế

2. Đóng góp kỹ thuật của đồ án

  • Hiện thực hóa thành công một mô hình robot di động chuyên dụng cho công tác khử khuẩn phòng dịch với chi phí chế tạo thấp, sử dụng linh kiện mở, dễ tiếp cận và thay thế.
  • Tách biệt hoàn toàn nhân viên y tế khỏi vùng tiếp xúc trực tiếp với hóa chất khử trùng và mầm bệnh thông qua cơ chế điều khiển từ xa bằng điện thoại thông minh kết nối Wi-Fi.
  • Bố cục kết cấu hợp lý: phân tách khoang mạch điều khiển ở đầu xe và khoang bơm phun hóa chất ở đuôi xe, giảm thiểu nguy cơ rò rỉ dung dịch gây chập cháy thiết bị điện tử.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được tác giả ghi nhận

  • Hiện tượng rò rỉ dung dịch: Khi bơm hoạt động ở công suất mạnh, tại các vị trí đầu nối giữa ống dẫn và đầu phun sương xuất hiện hiện tượng nhỏ giọt do chất lượng khớp nối và biện pháp dán keo, cuốn dây chưa triệt để, có thể làm tăng tốc độ ăn mòn khung xe.
  • Truyền động xích: Trong giai đoạn đầu thử nghiệm, xích bị xê dịch và trượt nhẹ do việc gá đặt cố định ổ lăn gia công thủ công chưa đạt độ chính xác cơ khí tuyệt đối.
  • Tốc độ di chuyển thực tế: Khi chở đầy tải trên bề mặt sàn gồ ghề, ma sát thực tế làm giảm vận tốc di chuyển so với tính toán lý thuyết ($0{,}4\text{ m/s}$).
  • Tầm phủ sóng điều khiển: Phạm vi điều khiển Wi-Fi bị suy giảm khi hoạt động trong môi trường có nhiều tường ngăn hoặc vật cản kim loại lớn.

Hướng phát triển tiếp theo

  • Hoàn thiện thuật toán định vị GPS NEO-6M để hiển thị bản đồ thời gian thực trên ứng dụng di động.
  • Phát triển tính năng tự động ghi nhớ lộ trình (lưu vết đường đi sau 1 lần điều khiển thủ công) để robot tự hành lặp lại chu trình khử khuẩn.
  • Thiết lập chế độ đặt lịch tự hành theo mốc thời gian cố định.
  • Tích hợp cụm cảm biến nhiệt độ nhằm phát hiện sự hiện diện của con người, từ đó tự động ngắt hệ thống phun sương để đảm bảo an toàn tuyệt đối.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án có giá trị tham khảo thiết thực đối với:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ Điện tử, Kỹ thuật Cơ khí, Tự động hóa và Robot: Cung cấp tài liệu tham khảo hoàn chỉnh về quy trình tính toán động lực học xe tự hành, phương pháp tính toán chọn công suất động cơ điện, thiết kế bộ truyền xích 2 cấp, phân tích ứng suất kết cấu bằng SolidWorks.
  • Người nghiên cứu và phát triển thiết bị y tế phòng dịch: Cung cấp giải pháp mẫu về sơ đồ kết nối phần cứng giữa Arduino Uno R3, ESP8266 NodeMCU, Driver cầu H BTS7960 43A và các mạch ngoại vi công suất 12V.

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ dẫn động chính của robot sử dụng loại nào và công suất bao nhiêu?
Robot sử dụng 2 động cơ DC giảm tốc mã hiệu DCM50-775, điện áp 12VDC, công suất định mức mỗi động cơ là 60W, tốc độ trước giảm tốc 6000 vòng/phút, tỉ số truyền hộp số 116:1, tốc độ trục ra đạt 50 vòng/phút.

2. Hệ thống truyền động từ động cơ đến các bánh xe được thiết kế như thế nào?
Hệ thống sử dụng bộ truyền xích con lăn 1 dãy chia làm 2 cấp: cấp 1 nối từ động cơ sang trục trung gian ($u_1 = 1$, bước xích $p_c = 6{,}35\text{ mm}$, đĩa xích $z_1 = z_2 = 11$ răng, 32 mắt xích); cấp 2 nối từ trục trung gian sang trục bánh xe ($u_2 = 1$, $p_c = 6{,}35\text{ mm}$, đĩa xích $z_3 = z_4 = 11$ răng, 58 mắt xích). Ổ đỡ trục sử dụng loại vòng bi NSK 608zz.

3. Khối điều khiển trung tâm và giao thức truyền thông không dây của robot hoạt động ra sao?
Khối điều khiển trung tâm là board mạch Arduino Uno R3 (vi điều khiển ATmega328). Tín hiệu điều khiển không dây được gửi từ điện thoại thông minh qua sóng Wi-Fi 2,4 GHz đến module ESP8266 NodeMCU. ESP8266 truyền dữ liệu sang Arduino Uno để xử lý và xuất tín hiệu PWM tới mạch công suất BTS7960 43A nhằm điều khiển tốc độ/chiều quay động cơ, đồng thời kích hoạt rơ-le điều khiển máy bơm phun sương.

4. Bơm phun sương sử dụng trong robot có thông số kỹ thuật gì?
Hệ thống sử dụng bơm tăng áp mini 12VDC, công suất 40W, lưu lượng phun 3,5 lít/phút, áp lực nước ra đạt 0,55 MPa, áp lực nước vào 0,2 MPa và có khả năng chịu tải đường ống dẫn dài đến 90 m.

5. Kết quả thử nghiệm thực tế của robot có điểm gì khác biệt so với tính toán lý thuyết?
Khối lượng thực tế của robot đạt 45 kg (nhẹ hơn mức 50 kg dự kiến), tầm phun sương thực tế đạt 1,2 m (vượt mức 0,8–1,0 m dự kiến), thời gian hoạt động liên tục đạt xấp xỉ 1 giờ. Tuy nhiên, tốc độ di chuyển thực tế bị giảm nhẹ khi qua địa hình gồ ghề và có hiện tượng rò rỉ nước nhỏ giọt ở khớp nối vòi phun khi bơm ở áp lực cao.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế chế tạo robot phun thuốc khử trùng" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã giải quyết trọn vẹn bài toán tích hợp cơ khí, điện tử và điều khiển tự động nhằm tạo ra thiết bị hỗ trợ phòng dịch COVID-19. Công trình đã hoàn thành đầy đủ từ khâu tính toán lý thuyết động lực học, thiết kế bộ truyền xích, mô phỏng ứng suất khung vỏ đến chế tạo phần cứng và thử nghiệm mô hình thực tế. Mặc dù còn một số hạn chế về độ kín khít đầu phun và tính năng tự hành, sản phẩm đã chứng minh được tính khả thi kỹ thuật và cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết cho các nghiên cứu phát triển robot dịch vụ y tế.