Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế, thi công mô hình Robot Khử khuẩn - SV HUTECH

Tài liệu đồ án chi tiết về thiết kế và thi công robot khử khuẩn. Bao gồm tính toán cơ khí, lựa chọn linh kiện điện tử và bản vẽ kỹ thuật.

• Tác giả: Trương Hoàng Bửu
• Người hướng dẫn: Th.S Dương Đăng Danh
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ, Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế, Thi Công Mô Hình Robot Khử Khuẩn
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2017-2018
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Robot Khử Khuẩn

Robot khử khuẩn là một hệ thống cơ-điện hiện đại được thiết kế để tự động hóa quá trình khử khuẩn trong các không gian công cộng. Đây là giải pháp thông minh kết hợp cơ cấu cơ khí, thiết bị điện tử và hệ thống điều khiển tiên tiến. Mô hình robot khử khuẩn được phát triển bởi các sinh viên ngành Kỹ Thuật Cơ, Điện Tử nhằm ứng dụng thực tiễn trong phòng chống dịch bệnh. Hệ thống gồm hai phần chính: phần cứng bao gồm cơ cấu di chuyển, cơ cấu phun khuẩn và các thiết bị điện tử; phần mềm là board Arduino Uno được lập trình linh hoạt. Kết cấu khung robot chế tạo từ nhựa Acrylic cao cấp, đảm bảo độ bền và tính thẩm mỹ. Đồ án robot khử khuẩn này đại diện cho sự kết hợp hoàn hảo giữa lý thuyết và ứng dụng thực tiễn trong công nghệ tự động hóa hiện đại.

1.1. Cấu Trúc Chính Của Robot Khử Khuẩn

Robot khử khuẩn bao gồm ba thành phần cốt lõi. Thứ nhất là cơ cấu di chuyển được trang bị hai bánh xe chủ động và bánh dẫn hướng cho phép robot di chuyển linh hoạt. Thứ hai là cơ cấu phun khuẩn gồm tay phun 2 bậc tự do có thể điều chỉnh hướng và các béc phun cố định xung quanh thân robot. Thứ ba là hệ thống điện-điều khiển với board Arduino Uno làm trung tâm xử lý tín hiệu từ tay điều khiển PS2, đảm bảo robot khử khuẩn hoạt động chính xác và an toàn.

1.2. Ứng Dụng Và Tác Động Của Công Nghệ

Công nghệ robot khử khuẩn có tác động to lớn trong lĩnh vực y tế và vệ sinh công cộng. Robot này giúp khử khuẩn hiệu quả các khu vực rộng lớn, giảm thiểu tiếp xúc trực tiếp của nhân viên với các chất độc hại. Đồ án robot khử khuẩn được áp dụng rộng rãi trong bệnh viện, trường học, và các công sở công cộng, đặc biệt hữu ích trong các tình huống dịch bệnh khẩn cấp như đại dịch.

II. Nguyên Lý Hoạt Động Và Hệ Thống Điều Khiển

Nguyên lý hoạt động của robot khử khuẩn dựa trên chu trình xử lý tín hiệu giữa tay điều khiển PS2 và board Arduino Uno. Khi tay điều khiển gửi tín hiệu, board Arduino nhận và phân tích tín hiệu để xác định lệnh cần thực hiện. Robot khử khuẩn sẽ thực thi các lệnh như di chuyển (tiến, lùi, rẽ trái, rẽ phải) hoặc kích hoạt các van phun khuẩn. Nếu không nhận tín hiệu, robot sẽ đứng yên chờ lệnh tiếp theo. Hệ thống này đảm bảo robot khử khuẩn hoạt động an toàn, chính xác và dễ điều khiển. Thiết kế hệ thống điều khiển sử dụng relay điện tử và driver điều khiển động cơ để quản lý năng lượng hiệu quả.

2.1. Tín Hiệu Điều Khiển Và Lệnh Thực Thi

Tay điều khiển PS2 phát ra các tín hiệu cụ thể: PSB_PAD_UP (robot tiến), PSB_PAD_DOWN (robot lùi), PSB_PAD_LEFT (robot rẽ trái), PSB_PAD_RIGHT (robot rẽ phải). Để kích hoạt cơ cấu phun khuẩn, người dùng nhấn các phím PSB_L1 và PSB_R1 để mở các van phun và bắt đầu quá trình khử khuẩn. Mỗi tín hiệu được board Arduino xử lý theo chương trình được lập trình sẵn, đảm bảo robot khử khuẩn thực hiện chính xác.

2.2. Hệ Thống Cung Cấp Năng Lượng

Robot khử khuẩn được cung cấp điện bằng pin Lithium hoặc ắc quy có dung lượng được tính toán kỹ lưỡng. Hệ thống điện bao gồm relay điện tử, board Arduino, và driver điều khiển động cơ để quản lý hiệu quả. Lựa chọn pin Lithium thay vì ắc quy nhờ trọng lượng nhẹ hơn và tuổi thọ dài hơn, giúp robot khử khuẩn hoạt động lâu dài mà không giảm hiệu suất.

III. Quy Trình Thiết Kế Và Tính Toán Kỹ Thuật

Quy trình thiết kế robot khử khuẩn bắt đầu từ việc phác thảo ý tưởng và lựa chọn phương án tối ưu. Các kỹ sư so sánh ba dạng hình khác nhau: hình hộp chữ nhật với hai bánh xe chủ động và một bánh dẫn hướng, hình hộp chữ nhật với hai bánh chủ động và hai bánh dẫn hướng, và đế tròn với ba bánh xe chủ động. Phương án được chọn là hình dạng hộp chữ nhật với cấu hình bánh xe tối ưu để đảm bảo ổn định và linh hoạt di chuyển. Thiết kế robot khử khuẩn được thực hiện trên phần mềm Solidworks với độ chính xác cao. Tính toán kỹ thuật bao gồm lựa chọn bánh xe, tính toán động cơ, tính kích thước bồn chứa, và thiết kế cơ cấu phun.

3.1. Cơ Cấu Di Chuyển Và Lựa Chọn Động Cơ

Cơ cấu di chuyển của robot khử khuẩn được thiết kế với bánh xe chất lượng cao để đảm bảo di chuyển mượt mà trên các bề mặt khác nhau. Tính toán động cơ xem xét mô-men xoắn, tốc độ quay, và hiệu suất năng lượng để chọn động cơ DC phù hợp. Thiết kế cơ cấu phun cần đảm bảo áp suất phun ổn định và bao phủ diện tích rộng để khử khuẩn hiệu quả.

3.2. Thiết Kế Cơ Khí Và Vật Liệu

Kết cấu khung robot được chế tạo từ nhựa Acrylic vì có độ bền cao, khối lượng nhẹ và tính chất chống ăn mòn. Bản vẽ thiết kế bao gồm bản vẽ tổng thể 3D, bản vẽ cơ cấu di chuyển, và bản vẽ cơ cấu phun. Quy trình lắp ráp robot tuân theo bản vẽ kỹ thuật chi tiết để đảm bảo chất lượng sản phẩm và hiệu suất hoạt động tối ưu.

IV. Thi Công Lắp Ráp Và Hướng Phát Triển

Thi công robot khử khuẩn là giai đoạn quan trọng để chuyển thiết kế kỹ thuật thành sản phẩm thực tế. Quá trình lắp ráp robot bao gồm việc gia công các bộ phận, lắp ráp khung, lắp ráp cơ cấu di chuyển, cài đặt hệ thống điện-điều khiển, và kiểm tra chức năng toàn hệ thống. Đồ án robot khử khuẩn đã hoàn thành thành công với tất cả các chức năng được kiểm định và hoạt động ổn định. Hướng phát triển tương lai bao gồm trang bị cảm biến thông minh, khả năng tự động định vị, ứng dụng trí tuệ nhân tạo, và điều khiển qua ứng dụng di động để nâng cao hiệu suất của robot khử khuẩn.

4.1. Bản Vẽ Kỹ Thuật Và Quy Trình Gia Công

Bản vẽ thiết kế được thể hiện chi tiết trên phần mềm Solidworks với bản vẽ tổng thể 3D của robot, bản vẽ cơ cấu di chuyển, và bản vẽ cơ cấu phun rõ ràng. Quy trình gia công tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật để đảm bảo độ chính xác cao. Mỗi bộ phận của robot khử khuẩn được gia công chính xác trước khi lắp ráp để đạt hiệu suất tối ưu.

4.2. Kết Luận Và Triển Vọng Ứng Dụng

Đồ án robot khử khuẩn đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả của công nghệ robot tự động trong vệ sinh công cộng. Triển vọng ứng dụng rất rộng lớn từ bệnh viện, trường học đến các công sở công cộng. Hướng phát triển tiếp theo bao gồm nâng cấp hệ thống cảm biến, tích hợp AI, khả năng tự hành để tạo robot khử khuẩn thế hệ mới với hiệu suất cao hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Bắt đầu năm 2020, chúng ta đang chuẩn bị đón Tết Nguyên Đán, kỳ nghỉ lễ lớn nhất trong năm. Báo đài bắt đầu đƣa tin về một chủng virus lạ ở Trung Quốc, chủng virus có liên quan đến đại dịch SARS 2003. Từ tâm dịch Vũ Hán, dịch bệnh Corona (COVID-19) lây lan toàn lãnh thổ Trung Quốc, sau đó lây lan ra tất cả các châu lục khác. Chúng ta đã sống chung với dịch bệnh này một khoảng thời gian dài, chỉ cần một bệnh nhân bị nhiễm có thể dễ dàng lây lan trong cộng đồng.

Tình hình dịch COVID19 trên thế giới tính đến ngày 04/05/2022. Nguồn: https://nld.vn/giao-duc-khoa-hoc/3000-truong-hoc-ha-noi-phun- thuoc-tay-trung-phong-dich-virus-corona- html Chúng ta đặt ra nhiều giải pháp, từ việc hạn chế tiếp xúc đến cách ly xã hội, phong tỏa từng quốc gia đến việc phong tỏa cả châu lục nhƣ Châu Âu. Cho phép học sinh, sinh viên đƣợc nghỉ học, khuyến khích ngƣời dân có ý thức trong cộng đồng và rất nhiều những giải pháp khác. Một trong số những giải pháp thiết yếu đƣợc đặt ra là vấn đề khử trùng tại các nơi công cộng, tập trung nhiều ngƣời nhƣ bệnh viện, trƣờng học, các khu dân cƣ, sân bay,…Tuy tình hình dịch đã giảm nhƣng vẫn còn nguy cơ tìm tàng là sẽ có thể có một biến thể mới nên việc đề phòng là luôn 1 cần thiết.

Đấy cũng là lí do để chúng em có thể lên ý tƣởng thiết kế và chế tạo robot phun khử khuẩn trong đồ án tốt nghiệp lần này. Phun khử trùng ở nơi công cộng. Nguồn:https://www.vn/bo-y-te-yeu-cau-khong-phun-hoa-chat-khu- khuan-sarscov2-ngoai-troi/730863. Tình hình nghiên cứu Hiện tại trong nƣớc cũng nhƣ trên thế giới việc sử dụng con ngƣời để phun khử khuẩn khá là phổ biến.

Bên cạnh đó cũng có một số nƣớc sử dụng Robot để giảm lây lan dịch nhƣng việc sử dụng Robot vào việc chống dịch còn rất hạn chế ở một số nƣớc. Phƣơng án con ngƣời sử dụng để chống dịch: * Sử dụng máy phun khử trùng mang vai Hình 3. Máy phun khử trùng mang vai. 2 Ƣu điểm:  Vòi phun với cơ cấu tự do có thể điều khiển lên xuống, xoay.

Thuận tiện trong việc phun khử trùng ở các vị trí khác nhau.  Linh động đi đến nhiều nơi, ngõ ngách vì tính linh hoạt ở ngƣời lao động. Nhƣợc điểm:  Khối lƣợng mang nặng gây khó khăn cho ngƣời mang trong lúc di chuyển ở các địa hình không bằng phẳng nhƣ các sƣờn dốc, đồi cỏ, lùm cây,…  Phụ thuộc vào sức ngƣời, yếu tố an toàn cho ngƣời lao động khi làm việc trong các khu lây nghiễm cao thƣờng không đƣợc đảm bảo. Các kết quả nghiên cứu ứng dụng của Robot trong nƣớc: * Robot khử khuẩn bằng dung dịch Hình 4.

Robotics của Đại học Tôn Đức Thắng (TDTU) Nguồn: https://dangcongsan.vn/y-te/che-tao-thanh-cong-robot-da-nang-phuc-vu- phong-chong-dich-covid-19-552102.html * Robot khử khuẩn bằng tia UV 3 Hình 5. Robot khử khuẩn bằng tia UV Nguồn: https://tuoitredhdn.vn/ho-tro-sinh-vien/nghien-cuu-khoa-hoc/truong- dai-hoc-su-pham-ky-thuat-dai-hoc-da-nang-che-tao-thanh-cong-robot-diet-99-virus- bang-tia-cuc-tim-1558.html Các kết quả nghiên cứu ứng dụng của Robot nƣớc ngoài: Hàn Quốc phát triển Robot phòng dịch thông minh trên nền tảng AI. Robot phun khử khuẩn do Hàn Quốc chế tạo Nguồn: https://baochinhphu.vn/han-quoc-phat-trien-robot-phong-dich-thong-minh- tren-nen-tang-ai- htm 4 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu sơ lƣợc về Robot Robot đã và đang xuất hiện trong cuộc sống của chúng ta từ lâu và ngày càng trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại.

Chúng đã góp phần mình vào công cuộc lao động, chính robot đang làm nên một cuộc cách mạng về lao động, khoa học, và đang phục vụ đắc lực cho các ngành khoa học nhƣ: khoa học quân sự, khoa học giáo dục, các ngành dịch vụ, giải trí, v.2 Phƣơng án khử khuẩn hiện nay  Phun xịt khử khuẩn tại các vùng có nguy cơ dịch.  Sử dụng dụng xe chuyên dụng của quân đội để phun xịt khu vực lớn.  Sử dụng máy phun và ngƣời đề đi phun các con hẻm và nhà dân.  Tại các công ty và xí nghiệp.

 Bố trí các trạm khử khuẩn toàn thân khi đi qua.3 Mục đích lựa chọn đề tài  Từ các kết quả tìm hiểu và nghiên cứu tìm ra giải pháp tối ƣu để ứng dụng vào việc chế tạo robot theo nhiệm vụ nghiên cứu.  Kết quả của nghiên cứu sẽ đƣợc áp dụng vào nghiên cứu khoa học, đƣa vào nghiên cứu sản xuất sản phẩm phục vụ nhu cầu trong nƣớc.4 Nhiệm vụ nghiên cứu  Nghiên cứu yêu cầu của việc khử khuẩn, các loại robot có thể đáp ứng khử khuẩn không gian ứng với mặt sàn dƣới 60m2.  Phân tích các phƣơng án khả thi, chọn phƣơng án thích hợp.  Thiết kế chi tiết.

 Lập các bản vẽ.  Thi công mô hình.5 Phƣơng pháp nghiên cứu  Phƣơng pháp phân tích tài liệu, xử lý thông tin: tham khảo từ sách báo, giáo trình, các tạp chí, Internet và các bài báo liên quan. Tập hợp và xử lý thông tin.  Phƣơng pháp tổng hợp: từ nguồn thông tin thu thập, tiến hành phân tích xử lý, đề xuất phƣơng án, thực hiện tính toán, thiết kế, chế tạo mô hình Robot khử khuẩn.

Phân tích và xử lý những lỗi phát sinh trong quá trình thực hiện. PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƢƠNG ÁN THIẾT KẾ 2.1 Phác thảo ý tƣởng thiết kế Hình 2.1 Hình vẽ ý tƣởng ban đầu 2.1 Ý tƣởng ban đầu  Robot sẽ có phần khung gầm để gắn các bộ phận chấp hành, ngoài ra, bên ngoài cần có một lớp vỏ để bảo vệ Robot cũng nhƣ ngăn hơi nƣớc tiếp xúc với các linh kiện điện tử bên trong.  Robot sẽ sử dụng bánh xe để di chuyển trong phòng thực sự tiện lợi.  Đầu phun đƣợc đƣa ra trƣớc robot để tiện cho việc phun thuốc.

Robot còn có thể di chuyển linh hoạt để tránh các chƣớng ngại vật trong môi trƣờng phức tạp.  Robot cần có bộ phận để chứa hóa chất để cung cấp trong quá trình phun.2 Phân tích hình dạng ban đầu của Robot Trƣớc khi có thể chốt phƣơng án thiết kế thì các loại Robot sử dụng bánh xe có rất nhiều cơ cấu nên ở đây chúng tôi phân tích và lựa ra cơ cấu tối ƣu nhất.1 Dạng hình hộp chữ nhật với hai bánh xe chủ động và một bánh dẫn hƣớng Hình 2.2 Dạng đế vuông với hai bánh xe chủ động, một hai bánh dẫn hƣớng Ƣu điểm:  Dạng đế vuông dễ thiết kế và chế tạo.  Việc bố trí ba bánh sẽ dẫn đến việc lệch trọng tâm, giúp robot dễ dàng di chuyển. lên những mặt phẳng có độ dốc.

 Chi phí rẻ hơn những cơ cấu khác. Nhƣợc điểm:  Việc trọng tâm không rơi vào vị trí giữa sẽ gây khó khăn trong việc di chuyển.  Khó khăn trong việc bố trí các cơ cấu, thiết bị khác đƣợc lắp đặt trên đế.  Đế vuông khi di chuyển dễ va vào các góc, cạnh tƣờng,vv….

Làm hƣ hỏng bánh xe và Robot khó khăn trong di chuyển.2 Dạng hình hộp chữ nhật với hai bánh xe chủ động và hai bánh dẫn hƣớng Hình 2.3 Dạng hình hộp chữ nhật với hai bánh xe chủ động và hai bánh dẫn hƣớng Ƣu điểm:  Dạng đế vuông dễ thiết kế và chế tạo.  Việc bố trí bốn bánh sẽ giúp robot giữ đƣợc trọng tâm rơi vào vị trị giữa, giúp chúng ta dễ phân bố các cơ cấu thiết bị khác trên bề mặt đế.  Di chuyển dễ dàng hơn trong các địa hình bằng phẳng.  Chi phí rẻ hơn đế xoay dạng tròn với ba bánh chủ động.

Nhƣợc điểm:  Giá thành chế tạo cao hơn loại hai bánh chủ động, một bánh dẫn hƣớng.  Đế vuông khi di chuyển dễ va vào các góc, cạnh tƣờng,vv…. Làm hƣ hỏng bánh xe và Robot khó khăn trong di chuyển.  Khó khăn trong việc di chuyển lên các mặt phẳng có độc dốc, cần bố trí các động cơ có công suất lớn hơn gây tốn kém hơn.3 Dạng đế tròn với ba bánh xe chủ động Hình 2.4 Dạng đế tròn với ba bánh xe chủ động Ƣu điểm:  Việc bố trí ba bánh chủ động với dạng đến tròn sẽ giúp Robot giữ đƣợc trọng tâm rơi vào vị trị giữa chính xác nhất, giúp chúng ta dễ phân bố các cơ cấu thiết bị khác trên bề mặt đế.

 Dạng đế tròn không có các cạnh vuông ít gây va chạm với các góc tƣợng, cạnh,vv… so với hai loại còn lại.  Dễ dàng di chuyển trên các mặt phẳng. Nhƣợc điểm:  Dạng đế tròn khó khăn hơn rất nhiều trong việc chế tạo.  Cần nhiều bánh xe chủ động nhất.

 Tốn nhiều chi phí nhất.3 Kết luận Dựa trên thực nghiệm cho thấy:  Để đảm bảo trọng tâm Robot rơi vào vị trí giữa, giúp robot dễ dàng bố trí các thiết bị, cơ cấu khác trên mặt đế. Thuận lợi cho việc di chuyển trên địa hình mặt phẳng. Chúng ta có thể chọn phƣơng án 2 và 3.  Để dễ dàng hơn trong việc di chuyển lên mặt dốc ta có thể chọn phƣơng án 1.

 Để ít va chạm với các cạnh tƣờng, góc khuất. Chúng ta sẽ chọn phƣơng án 3.  Để tiết kiệm chi phí hơn ta sẽ chọn phƣơng án 1 và 2. Nhiệm vụ: Tuy nhiên, nhiệm vụ của đồ án lần này là thiết kế và chế tạo một Robot có khả năng di chuyển trên các mặt phẳng nhƣ nền men là chủ yếu.

Và để tiết kiệm chi phí trong khi vẫn giữ đƣợc trọng tâm gần vị trí chính giữa nhất, đảm bảo cho việc bố trí các cơ cấu, thiết bị khác trên mặt đế. Thuận lợi trong việc di chuyển.  Từ những lý do trên, nhóm quyết định chọn phƣơng án: “ Dạng đế vuông (hình chữ nhật) với hai bánh xe chủ động, một bánh dẫn” làm cơ cấu chế tạo phần đế của Robot.3 Lựa chọn bộ điều khiển chính cho Robot Loại mạch Đặc điểm Ƣu điểm Nhƣợc điểm Vi điều khiển - Vi điều khiển là - Vi điều khiển - Vi điều khiển Arduino (Atmega một máy tính hoạt động nhƣ có 328) đƣợc tích hợp trên một máy vi tính kiến trúc phức một chip, nó không có bất kỳ tạp thƣờng sử dụng bộ phận kỹ thuật hơn so với vi xử để điều khiển các số nào. thiết bị điện tử.

Vi - Tích hợp cao - Chỉ thực hiện điều khiển, thực hơn đồng thời một số chất là một hệ bên trong vi điều lệnh thực thi giới thống bao gồm khiển làm giảm hạn. một vi xử lý có chi - Chủ yếu đƣợc hiệu suất đủ dùng phí và kích thƣớc sử và giá thành thấp của hệ thống. dụng trong các (khác với các vi - Việc sử dụng vi thiết bị vi mô. xử lý đa năng điều khiển rất - Không thể trực 11 dùng trong máy đơn tiếp giao tiếp các tính) kết hợp với giản, dễ khắc thiết bị công suất các khối ngoại vi phục cao.