I. Tổng quan đề tài thiết kế và chế tạo robot khử khuẩn
Đề tài thiết kế và chế tạo robot khử khuẩn được thực hiện tại Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Dự án trực thuộc Khoa Cơ khí Chế tạo máy, chuyên ngành Cơ điện tử. Mục tiêu trọng tâm hướng đến việc tự động hóa công tác dọn dẹp vệ sinh phòng dịch. Môi trường bệnh viện và trường học đòi hỏi mức độ an toàn sinh học rất cao. Việc con người trực tiếp phun hóa chất khử trùng tiềm ẩn nhiều rủi ro sức khỏe. Hóa chất đậm đặc dễ gây ngộ độc đường hô hấp và tổn thương da. Robot khử khuẩn ra đời nhằm giải quyết triệt để vấn đề này. Thiết bị thay thế nhân lực đi vào các khu vực cách ly nguy hiểm. Cỗ máy di chuyển linh hoạt trên mặt sàn phẳng và mang vác bồn hóa chất lớn. Hệ thống vòi phun áp lực cao phân tán hạt sương đều khắp không gian. Cấu trúc tổng thể nhỏ gọn, phù hợp với hành lang hẹp và phòng chức năng. Nhờ đó, quy trình khử khuẩn diễn ra nhanh chóng, triệt để và an toàn. Đề tài khẳng định năng lực ứng dụng công nghệ cơ điện tử vào đời sống thực tế.
1.1. Bối cảnh nghiên cứu cơ điện tử tại HCMUTE
Khoa Cơ khí Chế tạo máy tại Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM luôn chú trọng đào tạo thực hành. Ngành Cơ điện tử đòi hỏi sự kết hợp nhuần nhuyễn giữa cơ khí, điện tử và lập trình điều khiển. Đề tài tốt nghiệp robot khử khuẩn phản ánh rõ nét triết lý giáo dục ứng dụng này. Đội ngũ sinh viên tiến hành nghiên cứu dưới sự dẫn dắt của Thạc sĩ Nguyễn Minh Triết. Mục tiêu là tạo ra sản phẩm cơ điện tử hoàn thiện từ bản vẽ thiết kế đến chế tạo thực tế. Quá trình thực hiện rèn luyện tư duy giải quyết vấn đề kỹ thuật và làm việc nhóm hiệu quả. Đề tài đáp ứng chuẩn đầu ra khắt khe của chương trình đào tạo kỹ sư đại học.
1.2. Mục tiêu kỹ thuật của robot khử khuẩn
Hệ thống đặt ra những chỉ số kỹ thuật cụ thể nhằm tối ưu hóa khả năng làm việc. Kích thước bao ngoài được giới hạn ở mức 70 x 60 x 40 cm. Trọng lượng tổng thể gọn gàng giúp máy dễ dàng len lỏi qua cửa hẹp. Tải trọng làm việc tối đa đạt 40 kg, cho phép chở bình dung dịch lớn. Tốc độ di chuyển tiêu chuẩn thiết kế đạt khoảng 4 km/h. Robot vận hành bền bỉ liên tục tối thiểu hai giờ đồng hồ. Cơ chế phun sương tự động sử dụng bốn đầu béc áp lực cao gắn hai bên hông. Hệ thống điều khiển tích hợp hai chế độ chạy tự động theo vạch kẻ và can thiệp thủ công qua giao thức web không dây.
II. Phân tích thách thức thiết kế hệ thống robot khử khuẩn
Quá trình nghiên cứu robot khử khuẩn đối mặt với nhiều bài toán kỹ thuật phức tạp. Yêu cầu đầu tiên là độ ổn định thân xe khi mang tải nặng. Bình chứa hóa chất đầy dung dịch tạo ra dao động chất lỏng liên tục. Hiện tượng này dễ làm lệch trọng tâm và gây mất thăng bằng khi xe quay vòng. Thứ hai, không gian hành lang bệnh viện thường có nhiều góc cua gấp và chướng ngại vật. Xe ba bánh hoặc bốn bánh thông thường dễ bị kẹt góc nếu góc quay quá rộng. Ngoài ra, việc lựa chọn nguồn năng lượng cho xe cũng đặt ra thách thức lớn. Toàn bộ thiết bị gồm hai động cơ kéo, bơm áp lực và mạch điều khiển tiêu tốn dòng điện rất lớn. Nếu chọn ắc quy chì quá nặng, thời lượng vận hành sẽ giảm sút nghiêm trọng. Ngược lại, pin dung lượng nhỏ sẽ không đáp ứng đủ thời gian làm việc hai giờ liên tục. Việc phối hợp giữa mạch công suất và mạch vi xử lý cũng cần triệt tiêu xung nhiễu điện từ. Mọi vấn đề kỹ thuật này đòi hỏi tính toán lý thuyết kỹ lưỡng.
2.1. Đánh giá phương án động học di chuyển
Nghiên cứu tiến hành so sánh ba phương án cơ cấu truyền động chính. Phương án bốn bánh vi sai có kết cấu phức tạp và ma sát trượt lớn khi quay. Phương án xe ba bánh kiểu xe đạp khó điều khiển chính xác trong góc cua hẹp. Nhóm nghiên cứu quyết định chọn phương án cấu hình ba bánh đặc biệt. Hệ thống gồm hai bánh chủ động gắn hai bên thân xe và một bánh lái tự do xoay 360 độ. Cấu trúc vi sai hai bánh độc lập cho phép robot quay tròn tại chỗ với bán kính gần như bằng không. Giải pháp này giúp xe vượt qua các lối rẽ chật hẹp dễ dàng. Lực ma sát bánh dẫn nhỏ giúp giảm tải cơ học và tiết kiệm điện năng.
2.2. Bài toán tải trọng và phân bổ năng lượng
Tải trọng 40 kg yêu cầu khung cơ khí phải chịu lực uốn và xoắn rất tốt. Vị trí đặt bình chứa hóa chất đóng vai trò then chốt cho sự thăng bằng. Bình chất lỏng được đặt thấp ngay trên trục hai bánh dẫn động chính. Thiết kế này giúp dồn trọng tâm xuống gần mặt sàn để hạn chế lật nghiêng. Về mặt năng lượng, tổng dòng tiêu thụ cực đại của toàn hệ thống đạt 4412 mA. Con số này bao gồm hai động cơ kéo 24VDC 30W, một động cơ bơm 25W và các vi mạch. Việc tính toán dung lượng nguồn theo công thức công suất chuẩn xác giúp định cỡ hệ pin phù hợp, đảm bảo dòng xả an toàn và duy trì điện áp làm việc ổn định.
III. Giải pháp chế tạo phần cứng và điều khiển robot khử khuẩn
Giải pháp kỹ thuật của hệ thống là sự kết hợp đồng bộ giữa cơ khí và điện tử. Thân máy sử dụng các thanh nhôm định hình ghép nối dạng khối hộp chữ nhật vững chắc. Vật liệu nhôm giúp tối ưu khối lượng và thuận tiện thay đổi kết cấu khi lắp đặt. Hệ thống chuyển động trang bị hai động cơ DC 24V công suất 30W có hộp giảm tốc. Mỗi động cơ kéo trực tiếp một bánh xe độc lập qua khớp nối trục. Khối nguồn sử dụng hai bộ pin LiPo 3S 12V 5200mAh mắc nối tiếp tạo điện áp danh định 24V. Mạch hạ áp XL4005 cung cấp nguồn 5V ổn định cho toàn bộ vi điều khiển và cảm biến. Trung tâm điều khiển tích hợp bo mạch Arduino Mega 2560 phối hợp cùng vi điều khiển ESP32 NodeMCU. Arduino chịu trách nhiệm xử lý thuật toán bám line và điều chế xung động cơ. Trong khi đó, module ESP32 tạo mạng Wi-Fi cục bộ để thu nhận lệnh từ web server. Thuật toán PID được lập trình để hiệu chỉnh vận tốc động cơ theo sai số góc lái. Nhờ đó robot vận hành êm ái và bám sát lộ trình khử khuẩn định sẵn.
3.1. Thiết kế cơ khí khung nhôm và dàn phun áp lực
Bộ khung chịu lực gia công từ thanh nhôm định hình mặt cắt tiêu chuẩn. Khung máy phân bổ thành hai khoang chức năng riêng biệt. Khoang dưới chứa hai động cơ chuyển động, cụm pin nguồn và mạch cầu H công suất. Khoang trên bố trí bình hóa chất và máy bơm áp lực 24VDC 25W. Hệ thống giàn phun gồm bốn đầu béc chuyên dụng chia đều hai bên sườn thân xe. Đầu phun tạo hạt sương kích thước micro khuếch tán đều vào không khí mà không đọng vũng nước trên sàn. Toàn bộ đường ống dẫn chất lỏng được cố định an toàn, ngăn chặn rò rỉ hóa chất gây chập cháy hệ thống điện tử.
3.2. Thuật toán điều khiển PID và giao diện web server
Hệ thống điều khiển vận hành với hai cơ chế tự động và bằng tay. Ở chế độ tự động, thanh cảm biến năm mắt LED hồng ngoại liên tục đọc tín hiệu vạch đường dẫn. Giải thuật điều khiển PID nhận dữ liệu sai số vị trí giữa tâm xe và vạch kẻ. Thuật toán tính toán thông số phản hồi và điều chỉnh tốc độ hai bánh độc lập theo thời gian thực. Nhờ đó, robot luôn bám tâm đường dẫn ngay cả khi qua khúc cua gắt. Ở chế độ thủ công, ESP32 thiết lập máy chủ web hiển thị bảng điều khiển trực quan. Người dùng truy cập bằng điện thoại hoặc máy tính để phát lệnh tiến, lùi, rẽ hoặc kích hoạt bơm phun từ xa một cách an toàn.
IV. Kết quả nghiệm thu và tiềm năng ứng dụng robot khử khuẩn
Quá trình thử nghiệm thực tế chứng minh robot đáp ứng đầy đủ các tiêu chí thiết kế. Kết cấu cơ khí hoạt động ổn định và duy trì thăng bằng tốt khi mang đủ tải trọng 40 kg. Cơ chế hai bánh dẫn động độc lập phối hợp bánh lái tự do cho phản ứng chuyển hướng nhanh nhạy. Xe bám sát vạch dẫn hướng trên nhiều bề mặt sàn khác nhau với độ lệch không đáng kể. Tốc độ di chuyển thực tế đạt mức 4 km/h như tính toán ban đầu. Hệ thống bốn đầu phun sương phân tán hóa chất đều ra hai bên sườn, bảo đảm độ phủ bề mặt cao. Giao diện web server phản hồi tín hiệu điều khiển nhanh chóng với độ trễ thấp qua mạng không dây. Cụm pin LiPo cung cấp năng lượng liên tục hơn hai giờ vận hành ở công suất phun khử khuẩn trung bình. Sản phẩm mở ra tiềm năng ứng dụng lớn tại các bệnh viện, trường học, nhà máy và khu văn phòng. Thiết bị giảm thiểu nhân công lao động độc hại và nâng cao chất lượng phòng chống dịch tễ cộng đồng.
4.1. Hiệu quả vận hành trong thực tế đời sống
Robot khử khuẩn mang lại giải pháp thay thế nhân lực hiệu quả trong môi trường y tế. Thiết bị tự động hóa việc rải hóa chất diệt khuẩn mà không cần sự hiện diện của con người. Năng suất phun của bốn béc áp lực cao tương đương sức làm việc của ba công nhân vệ sinh. Thiết bị có thể hoạt động bền bỉ trong những khu vực cách ly bệnh truyền nhiễm độc hại. Nhờ khả năng xoay tại chỗ linh hoạt, xe tiếp cận dễ dàng vào các góc khuất hẹp. Dung lượng pin LiPo đáp ứng chu kỳ làm việc liên tục hơn hai giờ trước khi sạc lại. Quy trình vận hành khép kín này hạn chế tối đa nguy cơ lây nhiễm chéo dịch bệnh cho nhân viên.
4.2. Hướng nghiên cứu phát triển trong tương lai
Hệ thống mở ra nhiều tiềm năng cải tiến kỹ thuật trong các phiên bản tiếp theo. Định hướng hàng đầu là tích hợp công nghệ định vị lập bản đồ SLAM và cảm biến LiDAR. Nâng cấp này cho phép robot di chuyển hoàn toàn tự chủ mà không cần kẻ vạch line cố định trên sàn. Bên cạnh đó, việc bổ sung cảm biến siêu âm hoặc camera AI sẽ giúp nhận diện vật cản từ xa chuẩn xác hơn. Hệ thống cũng có thể tích hợp thêm đèn chiếu tia cực tím UVC kết hợp cùng dàn phun hóa chất. Cải tiến này giúp nâng cao tỷ lệ diệt trừ mầm bệnh trên các bề mặt tiếp xúc mà vẫn tiết kiệm dung dịch khử khuẩn.
