Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các cơ sở công nghiệp hiện nay, hệ thống bồn bể chứa dung tích lớn (từ 1.000 m³ trở lên) đóng vai trò thiết yếu trong việc lưu trữ nguyên liệu, dung môi và hóa chất phục vụ sản xuất. Bề mặt ngoài của các bể kim loại này thường xuyên chịu tác động trực tiếp từ điều kiện thời tiết khắc nghiệt, dẫn đến hiện tượng oxy hóa, rỉ sét, nấm mốc và rong rêu bám dính. Tình trạng này làm suy giảm chất lượng vật liệu và rút ngắn tuổi thọ của bồn bể. Hoạt động vệ sinh, bảo dưỡng định kỳ hiện vẫn phụ thuộc chủ yếu vào nhân công lao động trực tiếp bằng phương pháp thủ công. Quy trình thủ công bộc lộ nhiều nhược điểm lớn: tiềm ẩn rủi ro tai nạn lao động nghiêm trọng khi công nhân phải làm việc trên cao và tiếp xúc với môi trường hóa chất độc hại; năng suất lao động thấp; chi phí nhân công cao; lượng nước tiêu thụ lớn và chất lượng làm sạch không đồng đều.

Xuất phát từ thực tế đó, đề tài "Thiết kế và chế tạo mô hình robot vệ sinh công nghiệp" do sinh viên Trần Văn Hiệp thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Phú Sinh tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng nhằm giải quyết bài toán tự động hóa quá trình làm sạch bề mặt bồn bể kim loại.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đề tài gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan về robot công nghiệp, các mô hình robot leo tường và thực trạng vệ sinh bể chứa tại Việt Nam và trên thế giới.
  2. Phân tích đối tượng bồn bể công nghiệp, xác định yêu cầu kỹ thuật và tính toán quỹ đạo di chuyển tối ưu cho robot.
  3. Thiết kế cơ khí chi tiết cho mô hình robot, bao gồm tính toán lực bám dính từ tính, lựa chọn vật liệu kết cấu khung xe, bánh xe và động cơ dẫn động.
  4. Xây dựng sơ đồ nguyên lý và thiết kế hệ thống điều khiển điện tử sử dụng vi điều khiển để điều hướng động cơ di chuyển và kích hoạt cụm bơm rửa.
  5. Gia công, chế tạo mô hình vật lý, tiến hành đấu nối mạch điều khiển và thực nghiệm vận hành thực tế trên bề mặt kim loại.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Mô hình robot cơ điện tử bám dính bề mặt kim loại bằng bánh xe tích hợp nam châm vĩnh cửu, kết hợp hệ thống phun nước áp lực làm sạch.
  • Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn ở việc thiết kế, chế tạo mô hình thử nghiệm làm việc trên bề mặt kim loại phẳng và bề mặt bể chứa công nghiệp hình chữ nhật có kích thước tham chiếu 20 m × 10 m, chiều cao khoảng 10 m; vận tốc di chuyển yêu cầu $V \ge 0{,}025$ m/s ($25$ mm/s).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài áp dụng các nguyên lý cơ bản của kỹ thuật cơ điện tử, tĩnh học vật rắn và từ học để giải quyết bài toán bám dính và chuyển động trên mặt phẳng nghiêng, mặt đứng kim loại:

  1. Khung lý thuyết và mô hình tính toán:

    • Cân bằng tĩnh lực học: Thiết lập hệ phương trình cân bằng lực trên phương tiếp tuyến ($\sum F_x = 0$) và phương pháp tuyến ($\sum F_y = 0$) khi robot đứng yên hoặc di chuyển trên mặt nghiêng góc $\alpha$ bất kỳ ($0 < \alpha \le 90^\circ$). Từ đó, xác định điều kiện bám dính không trượt và không lật: lực hút từ tính $F_{mag}$ phải thắng thành phần trọng lực tách mặt phẳng và thành phần gây trượt phụ thuộc vào hệ số ma sát $\mu$.
    • Lý thuyết từ thông nam châm vĩnh cửu: Sử dụng công thức giải tích xác định mật độ từ thông $B$ trên trục đối xứng của nam châm hình trụ tròn được từ hóa hướng trục: $$B = \frac{B_r}{2} \left( \frac{D + z}{\sqrt{R^2 + (D + z)^2}} - \frac{z}{\sqrt{R^2 + z^2}} \right)$$ Trong đó $B_r$ là từ dư của vật liệu, $D$ là chiều cao hình trụ, $R$ là bán kính, và $z$ là khoảng cách từ mặt cực đến bề mặt tiếp xúc.
    • Mô phỏng trường từ tính bằng phần mềm FEMM (Finite Element Method Magnetics): Phân tích phần tử hữu hạn 2D để kiểm chứng mật độ phân bố từ thông và đường sức từ tại các bánh xe gắn nam châm tiếp xúc với bề mặt thép.

  2. Phương pháp nghiên cứu thực tế:

    • Phương pháp phân tích lý thuyết: Thu thập, tổng hợp các công trình khoa học trong và ngoài nước về robot leo tường; tính toán động lực học, mô-men xoắn cần thiết và công suất động cơ.
    • Phương pháp mô phỏng và thiết kế 3D: Ứng dụng phần mềm Autodesk Fusion 360 để xây dựng mô hình khối rắn 3D, kiểm tra sự tương thích động học và xuất bản vẽ chế tạo chi tiết.
    • Phương pháp thực nghiệm (thử và sai): Tiến hành gia công cơ khí, lắp ráp từng cụm linh kiện, kiểm tra thực tế lực hút nam châm trên bề mặt thép, hiệu chỉnh cấu trúc khung gầm và hoàn thiện chương trình điều khiển.
    • Phương pháp phân tích tổng kết kinh nghiệm: Đánh giá ưu nhược điểm của các dạng robot bánh xích, bánh xe, giác hút chân không từ các nghiên cứu tiền nhiệm để lựa chọn kết cấu tối ưu cho điều kiện chế tạo tại Việt Nam.

  3. Nguồn dữ liệu: Tài liệu kỹ thuật từ nhà sản xuất linh kiện (bảng thông số động cơ JGY370, vi điều khiển Arduino Mega 2560, driver cầu H BTS7960, bảng cấp độ từ tính nam châm Neodymium) và các thông số đo đạc thực nghiệm trong quá trình lắp ráp.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống robot vệ sinh công nghiệp được thiết kế và triển khai theo hai phân hệ chính: hệ thống cơ khí chịu lực - di chuyển và hệ thống điều khiển điện tử.

1. Phân tích và lựa chọn phương án cơ khí

Tác giả so sánh các giải pháp kỹ thuật nhằm lựa chọn cấu hình phù hợp với điều kiện chế tạo mô hình:

Hạng mục thiết kế Các phương án xem xét Phương án được chọn Cơ sở lựa chọn theo văn bản
Quỹ đạo làm sạch 1. Di chuyển phương thẳng đứng
2. Di chuyển phương nằm ngang		 Phương án 1 (Thẳng đứng) Vận hành đơn giản, độ ổn định tốt, dễ tiếp cận khu vực làm sạch hơn phương nằm ngang.
Cơ cấu di chuyển 1. Bánh xe
2. Bánh xích		 Hệ thống bánh xe Cấu trúc đơn giản, chi phí thấp, tính linh hoạt cao, dễ chế tạo và bảo trì hơn bánh xích.
Bố trí kết cấu bánh 1. Xe 4 bánh truyền động
2. Xe 2 bánh truyền động + 2 bánh đa hướng
3. Xe 2 bánh truyền động + 1 bánh đa hướng		 Xe 3 bánh (2 truyền động, 1 đa hướng) Cân bằng giữa tính linh hoạt, khả năng chuyển hướng, chi phí thấp và dễ lắp ráp.
Phương thức bám dính 1. Nam châm vĩnh cửu
2. Nam châm điện
3. Giác hút chân không		 Nam châm vĩnh cửu NdFeB Hoạt động thụ động an toàn (không rơi khi mất nguồn điện), lực từ lớn, kết cấu gọn, không cần máy nén khí.
Vật liệu khung xe 1. Thép / Sắt
2. Hợp kim nhôm		 Tấm đáy bằng nhôm Trọng lượng riêng nhẹ (bằng 1/3 sắt), chống rỉ sét ăn mòn khi tiếp xúc với nước, dễ gia công cắt uốn.

2. Tính toán động lực học và lực bám dính từ tính

Để robot có khối lượng $m = 1{,}5$ kg di chuyển an toàn trên phương thẳng đứng ($\alpha = 90^\circ$) với hệ số ma sát giữa bánh cao su và thép $\mu = 0{,}8$, gia tốc trọng trường $g = 9{,}81\text{ m/s}^2$:

  • Điều kiện bám dính chống trượt: $F_{mag} > 2{,}23 P = 2{,}23 \cdot m \cdot g = 2{,}23 \cdot 1{,}5 \cdot 9{,}81 \approx 32{,}8$ N (văn bản quy định $F_{mag} > 32{,}9$ N).
  • Lực hút phân bổ cho mỗi cụm bánh truyền động: $F_{mag}/2 > 16{,}45$ N.
  • Lựa chọn nam châm: Nam châm Neodymium đất hiếm cấp độ N48 hình trụ tròn có kích thước đường kính $\varnothing = 12$ mm, chiều cao $D = 4$ mm gắn phân bố đều quanh bánh xe.
  • Tính toán mô-men dẫn động yêu cầu: Với bán kính bánh xe $r = 50$ mm ($0{,}05$ m) và hệ số ma sát nghỉ $\mu_s = 0{,}8$, mô-men xoắn cần thiết trên trục bánh xe là $\tau > 0{,}7127$ Nm.
  • Tính toán tốc độ góc: Với vận tốc dài thiết kế $v = 25$ mm/s ($0{,}025$ m/s), tốc độ vòng quay bánh xe $V_{rpm} \approx 4{,}77$ vòng/phút, tương ứng tốc độ góc $\omega \approx 4{,}5$ rad/s.
  • Lựa chọn động cơ: Động cơ giảm tốc JGY370 điện áp 24V DC, tốc độ 60 vòng/phút, sử dụng hộp số trục vít bánh vít tự khóa khi ngắt điện, khả năng chịu tải mô-men tối đa lên tới 30 kg·cm. Tính năng tự khóa của hộp số trục vít giúp ngăn chặn hoàn toàn hiện tượng trượt rơi tự do của robot khi mất nguồn.

3. Thiết kế hệ thống điều khiển điện tử

Hệ thống điều khiển trung tâm được tổ chức theo sơ đồ khối logic:

  • Khối xử lý trung tâm: Bo mạch vi điều khiển Arduino Mega 2560 R3 (sử dụng chip nạp CH340), nhận tín hiệu điều khiển từ cụm 4 nút nhấn chức năng (tiến, lùi, rẽ trái, rẽ phải). Chương trình điều khiển được phát triển và nạp qua phần mềm Arduino IDE.
  • Khối điều khiển công suất chuyển động: Sử dụng 2 mạch cầu H BTS7960 độc lập để điều khiển chiều quay và tốc độ của 2 động cơ giảm tốc JGY370. Driver BTS7960 đáp ứng dòng tải lớn, tản nhiệt tốt, bảo vệ quá dòng cho động cơ.
  • Khối chấp hành làm sạch: Bo mạch Arduino Mega xuất tín hiệu điều khiển đóng cắt Module Relay 5V 1 kênh để cấp nguồn kích hoạt động cơ bơm màng 365, bơm nước từ nguồn cấp dẫn qua ống phun hướng trực tiếp vào bề mặt bồn chứa cần làm sạch.
  • Quy trình vận hành: Người vận hành điều khiển các thao tác chuyển động thông qua cụm nút bấm. Tín hiệu số gửi về chân I/O của Arduino Mega, vi điều khiển tính toán trạng thái và kích hoạt driver BTS7960 điều khiển động cơ bánh trái/phải quay cùng chiều (tiến/lùi) hoặc ngược chiều (quay vòng chuyển hướng), đồng thời relay đóng tiếp điểm cho máy bơm hoạt động liên tục trong suốt hành trình phun rửa.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mở đầu

Chương này nêu bật tính cấp thiết của việc tự động hóa công tác vệ sinh bồn chứa công nghiệp nhằm nâng cao an toàn lao động, giảm thiểu rủi ro tai nạn trên cao và tiếp xúc hóa chất độc hại, đồng thời tiết kiệm tài nguyên nước và chi phí nhân công. Tác giả xác lập mục đích nghiên cứu, nhiệm vụ thiết kế, phạm vi áp dụng (bồn bể kim loại kích thước 20 m × 10 m × 10 m) và hệ thống phương pháp nghiên cứu gồm phân tích lý thuyết, mô phỏng 3D, thực nghiệm thử - sai và tổng kết kinh nghiệm thực tế.

Chương 2: Tổng quan về robot công nghiệp

Chương 2 khái quát vai trò của robot công nghiệp trong dây chuyền sản xuất hiện đại (hàn, gắp hàng, bốc xếp, kiểm tra, bảo trì đường ống, lau kính tòa nhà). Phân tích chi tiết thực trạng các khu công nghiệp tại Việt Nam với số lượng lớn bồn bể chứa xăng dầu, hóa chất, thực phẩm đang phải làm sạch thủ công. Chương này điểm luận các công trình nghiên cứu robot leo tường bám dính tiêu biểu:

  • Nghiên cứu quốc tế: Robot leo tường bánh xích từ tính của Đại học Dalhousie (tải trọng 40 kg dùng kiểm tra bể dầu); robot thương mại Scorpion B-Scan của hãng Silverwing (Mỹ) có kích thước 385 × 222 × 102 mm, nặng 4,74 kg, lực từ 13,6 kg, vận tốc 25 mm/s.
  • Nghiên cứu trong nước: Robot leo tường sử dụng lực hút cánh quạt đẩy khí của Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM; robot bánh xích dùng giác hút chân không của Đại học Bách Khoa Đà Nẵng. Từ đó, tác giả chỉ ra khoảng trống về các nghiên cứu chế tạo robot chuyên dụng cho vệ sinh bồn chứa bằng bánh xe từ tính tại Việt Nam.

Chương 3: Yêu cầu và phương án thiết kế cơ khí

Chương này tập trung giải quyết các bài toán thiết kế cơ điện:

  • Lựa chọn quỹ đạo di chuyển theo phương thẳng đứng kết hợp phun nước làm sạch.
  • Lựa chọn cơ cấu di chuyển bằng bánh xe thay vì bánh xích, bố trí dạng 3 bánh (2 bánh chủ động gắn nam châm, 1 bánh dẫn hướng đa hướng).
  • Lựa chọn giải pháp bám dính bằng nam châm vĩnh cửu Neodymium N48 dạng trụ tròn ($\varnothing 12 \times 4$ mm) gắn xung quanh chu vi bánh xe; mặt đáy khung xe gia công bằng nhôm để tối ưu hóa trọng lượng và chống ăn mòn.
  • Dựng toàn bộ mô hình 3D trên phần mềm Autodesk Fusion 360.
  • Thiết lập công thức cân bằng lực, tính toán lực hút từ tính tối thiểu ($F_{mag} > 32{,}9$ N), tính toán mô-men dẫn động ($\tau > 0{,}7127$ Nm) và chọn động cơ JGY370 24V có hộp số trục vít tự khóa.
  • Sử dụng phần mềm FEMM mô phỏng 2D kiểm chứng mật độ từ thông và các đường sức từ của bánh xe tiếp xúc tấm thép.

Chương 4: Thiết kế hệ thống điều khiển

Nội dung chương trình bày kiến trúc phần cứng điều khiển robot:

  • Giới thiệu cấu trúc, sơ đồ chân và tính năng của vi điều khiển Arduino Mega 2560 R3 (CH340), phần mềm lập trình Arduino IDE.
  • Trình bày thông số kỹ thuật và nguyên lý giao tiếp của 2 module công suất cầu H BTS7960 điều khiển 2 động cơ dẫn động JGY370.
  • Giới thiệu mạch kích đóng ngắt Relay 5V 1 kênh và động cơ bơm nước mini model 365.
  • Thiết lập sơ đồ nguyên lý kết nối toàn mạch, xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển tổng quan cho robot khi nhận lệnh từ cụm 4 nút bấm điều khiển bằng tay.

Chương 5: Chế tạo, thử nghiệm và kết quả

Chương 5 mô tả quy trình thực tế bao gồm việc thi công tấm sàn khung nhôm, gia công trục bánh xe, gắn các viên nam châm NdFeB N48 quanh vành bánh xe, lắp ráp động cơ JGY370 và bánh xe đa hướng. Tiếp đó là quá trình bố trí dây dẫn, kết nối mạch động lực BTS7960, vi điều khiển Arduino Mega và module relay. Tác giả tiến hành chạy thử nghiệm thực tế mô hình trên bề mặt tấm thép kim loại để kiểm tra độ bám dính, khả năng di chuyển leo thẳng đứng, chuyển hướng rẽ trái/phải và vận hành cụm vòi phun nước làm sạch.

Chương 6: Kết luận và định hướng phát triển

Đưa ra đánh giá tổng kết về mức độ hoàn thành nhiệm vụ thiết kế, chế tạo mô hình robot vệ sinh công nghiệp so với các yêu cầu kỹ thuật ban đầu; chỉ ra các điểm còn tồn tại của mô hình thực nghiệm và đề xuất các giải pháp nâng cấp, hoàn thiện hệ thống trong giai đoạn tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả chính đạt được

  • Chế tạo hoàn chỉnh mô hình vật lý robot vệ sinh công nghiệp hoạt động dựa trên cơ chế bám dính bằng bánh xe từ tính.
  • Khối lượng tổng thể của mô hình đạt xấp xỉ 1,5 kg nhờ kết cấu khung sàn bằng nhôm.
  • Hệ thống bánh xe tích hợp nam châm Neodymium N48 tạo ra tổng lực hút đạt trên 32,9 N, giúp robot bám dính chắc chắn trên bề mặt kim loại thẳng đứng ($\alpha = 90^\circ$) mà không bị rơi hay trượt.
  • Vận tốc di chuyển thực nghiệm đạt mức yêu cầu thiết kế $V \ge 25$ mm/s ($0{,}025$ m/s).
  • Hệ thống truyền động trang bị động cơ trục vít JGY370 đảm bảo cơ chế tự khóa an toàn, giữ nguyên vị trí bám khi ngắt nguồn điện đột ngột.
  • Cụm bơm màng 365 kết hợp relay 5V hoạt động đồng bộ với hệ thống di chuyển, thực hiện tốt chức năng phun nước tẩy rửa bề mặt kim loại.

2. Giải pháp và đề xuất kỹ thuật

  • Đề xuất ứng dụng kết cấu xe 3 bánh (2 bánh chủ động gắn nam châm, 1 bánh đa hướng) giúp robot quay đầu và chuyển hướng linh hoạt trên bề mặt dựng đứng mà không đòi hỏi cơ cấu cơ khí quá phức tạp.
  • Sử dụng giải pháp bám dính thụ động bằng nam châm vĩnh cửu thay cho nam châm điện hay giác hút chân không, loại bỏ hoàn toàn sự phụ thuộc vào nguồn điện cấp liên tục cho cơ cấu giữ bám.

3. Đóng góp của đề tài

  • Cung cấp một phương án thiết kế cơ điện tử hoàn chỉnh, giá thành thấp, sử dụng các linh kiện phổ biến trên thị trường Việt Nam (Arduino Mega, BTS7960, JGY370, nam châm N48) để tạo ra sản phẩm phục vụ công tác vệ sinh công nghiệp.
  • Làm tài liệu cơ sở kỹ thuật thực nghiệm cho việc tính toán lực bám từ tính, mô phỏng từ trường bằng FEMM và thiết kế robot leo tường bám dính bề mặt thép trong nước.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế của đề tài

  • Chế độ vận hành của robot hiện tại vẫn phụ thuộc vào việc điều khiển bằng tay thông qua cụm 4 nút nhấn có dây, chưa được tích hợp hệ thống điều khiển không dây tầm xa hoặc lập trình tự động hóa hoàn toàn đường đi.
  • Mô hình chưa được trang bị hệ thống cảm biến nhận biết mép bể chứa hoặc vật cản để tự động dừng và chuyển hướng an toàn.
  • Chưa tích hợp thiết bị quan sát trực quan (camera) phục vụ kiểm tra khuyết tật bề mặt bể.
  • Việc sử dụng nam châm vĩnh cửu tạo lực hút liên tục gây khó khăn nhất định cho người vận hành trong quá trình đặt robot lên và tháo gỡ robot ra khỏi bề mặt kim loại.
  • Cụm vòi phun nước mini mới dừng lại ở mức phun rửa làm sạch bụi bẩn thông thường, áp lực phun chưa đủ lớn để đánh bay các mảng bám rỉ sét, cặn hóa chất lâu ngày.

2. Hướng nghiên cứu tiếp

  • Nâng cấp hệ thống điều khiển từ xa không dây (qua sóng RF, Bluetooth hoặc Wi-Fi) hoặc trang bị cảm biến định vị để robot tự hành làm sạch theo chu trình khép kín.
  • Tích hợp thêm camera giám sát truyền hình ảnh trực tiếp về màn hình trung tâm nhằm kiểm tra bề mặt, phát hiện rỉ sét và vết nứt bồn bể.
  • Nghiên cứu cơ cấu cơ khí ngắt từ trường hoặc tách bề mặt linh hoạt để dễ dàng thu hồi và bảo dưỡng robot sau khi hoàn thành nhiệm vụ.
  • Thử nghiệm tích hợp chổi quét xoay cơ khí hoặc nâng cấp bơm nước áp lực cao để nâng cao hiệu quả tẩy rửa vết bẩn cứng đầu.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí, Tự động hóa: Là tài liệu mẫu hữu ích trong việc thực hiện đồ án tốt nghiệp về robot di động đặc chủng, robot leo tường bám dính kim loại.
  • Kỹ sư và nhóm nghiên cứu phát triển thiết bị công nghiệp: Tham khảo quy trình thiết kế cơ cấu bám dính bằng nam châm vĩnh cửu, phương pháp tính toán cân bằng lực trên mặt phẳng nghiêng/thẳng đứng, và phương pháp ứng dụng phần mềm mã nguồn mở FEMM trong tính toán tĩnh từ học.
  • Phần đáng tham khảo nhất: Chương 3 với hệ thống công thức giải tích tính toán lực hút nam châm chống trượt ($F_{mag} > 2{,}23 P$), quy trình tính mô-men xoắn chọn động cơ dẫn động tự khóa JGY370, cùng sơ đồ phối ghép công suất giữa vi điều khiển Arduino Mega và mạch cầu H BTS7960 trong Chương 4.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao tác giả lựa chọn cơ cấu bám dính bằng nam châm vĩnh cửu NdFeB N48 thay vì dùng nam châm điện hay giác hút chân không?
Trả lời: Nam châm vĩnh cửu NdFeB N48 có mật độ năng lượng từ cao, kích thước nhỏ gọn nhưng tạo lực hút mạnh và giữ từ tính lâu dài ở nhiệt độ môi trường. Khác với nam châm điện (bị mất lực hút tức thì khi mất điện gây rơi thiết bị) hoặc giác hút chân không (đòi hỏi máy nén khí cồng kềnh, chuyển hướng khó khăn trên bề mặt gồ ghề), nam châm vĩnh cửu vận hành hoàn toàn thụ động, loại trừ nguy cơ mất an toàn khi gặp sự cố nguồn điện và tối ưu hóa trọng lượng kết cấu.

2. Lực hút từ tính tối thiểu cần thiết để robot không bị rơi khỏi bề mặt thẳng đứng là bao nhiêu và được tính toán như thế nào?
Trả lời: Qua phân tích tĩnh học trên mặt phẳng đứng ($\alpha = 90^\circ$) với hệ số ma sát giữa bánh xe cao su và mặt thép $\mu = 0{,}8$, robot có khối lượng $m = 1{,}5$ kg đòi hỏi lực hút từ tính tối thiểu $F_{mag} > 2{,}23 P = 2{,}23 \cdot m \cdot g \approx 32{,}8$ N (văn bản làm tròn yêu cầu $F_{mag} > 32{,}9$ N). Do đó, mỗi bên bánh xe truyền động cần một lực hút từ trường tối thiểu trên $16{,}45$ N.

3. Động cơ giảm tốc JGY370 có đặc tính gì nổi bật khiến tác giả lựa chọn cho hệ thống dẫn động của robot?
Trả lời: Động cơ JGY370 hoạt động ở điện áp 24V DC, tốc độ 60 vòng/phút, trang bị hộp số giảm tốc dạng trục vít bánh vít bằng kim loại có độ bền cao. Đặc tính kỹ thuật quyết định nhất là cơ chế tự khóa trục khi mất nguồn điện, giúp ngăn chặn hiện tượng bánh xe bị quay ngược do trọng lực, đảm bảo robot không bị trượt rơi tự do xuống đáy bể khi mất điện.

4. Cấu hình điều khiển của robot được tổ chức như thế nào và phần mềm nào được sử dụng để lập trình, thiết kế?
Trả lời: Hệ thống điều khiển sử dụng bo mạch Arduino Mega 2560 R3 nhận lệnh từ cụm 4 nút bấm điều khiển tay, sau đó xuất tín hiệu điều khiển 2 module cầu H BTS7960 dẫn động 2 động cơ JGY370 và kích đóng ngắt 1 module relay 5V cấp điện cho bơm nước mini 365. Quá trình thiết kế 3D được thực hiện trên phần mềm Autodesk Fusion 360, mô phỏng từ trường bằng FEMM, và mã nguồn điều khiển được viết, biên dịch qua phần mềm Arduino IDE.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo mô hình robot vệ sinh công nghiệp" của sinh viên Trần Văn Hiệp đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu thiết kế và chế tạo thực nghiệm mô hình robot cơ điện tử di chuyển trên mặt thép thẳng đứng. Bằng việc kết hợp kết cấu khung nhôm nhẹ, bánh xe gắn nam châm vĩnh cửu Neodymium N48 tạo lực bám trên 32,9 N và động cơ trục vít JGY370 tự khóa, robot vận hành ổn định với vận tốc trên 25 mm/s cùng hệ thống vòi phun rửa bề mặt. Công trình cung cấp giải pháp kỹ thuật thực tiễn, chi phí thấp cho bài toán tự động hóa vệ sinh bồn bể công nghiệp, đồng thời là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật cao về tính toán tĩnh từ và thiết kế robot leo tường bám dính.