Đồ án robot khử khuẩn đa phương án điều khiển - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Hướng dẫn quy trình thiết kế và thi công mô hình robot khử khuẩn đa phương án điều khiển. Giải pháp tự động hóa nâng cao hiệu quả khử trùng và an toàn y tế.

• Tác giả: Phạm Minh Tiến
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thanh Hải
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện tử - Truyền thông
• Đề tài: Thiết kế và thi công mô hình robot khử khuẩn đa phương án điều khiển
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về robot khử khuẩn đa phương án điều khiển

Robot khử khuẩn đa phương án điều khiển là hệ thống tự động kết hợp công nghệ robot và cơ chế khử khuẩn nhằm kiểm soát vi sinh vật gây hại trong môi trường. Mô hình này sử dụng cơ cấu di chuyển linh hoạt cùng hệ thống phun khử khuẩn đa chiều, cho phép điều khiển thủ công, tự động hoặc theo đường line. Với khả năng tích hợp nhiều phương thức điều khiển, robot có thể hoạt động trong các không gian hạn chế như phòng cách ly y tế. Điểm nổi bật của hệ thống là tích hợp cảm biến môi trường, module điều khiển không dây và giao diện điều khiển từ xa qua smartphone.

1.1. Cấu trúc hệ thống robot khử khuẩn

Hệ thống robot khử khuẩn bao gồm bốn thành phần chính: cơ cấu di chuyển, cơ cấu phun khử khuẩn, module điều khiển trung tâm và giao diện người dùng. Cơ cấu di chuyển sử dụng bánh xích chịu lực cao, cho phép robot hoạt động trên nhiều địa hình khác nhau. Cơ cấu phun khử khuẩn được thiết kế với vòi phun đa chiều, kết nối với bơm áp suất và servo điều khiển hướng phun. Module điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển Arduino Nano, xử lý tín hiệu từ cảm biến và điều khiển các động cơ. Giao diện điều khiển qua smartphone được phát triển bằng MIT App Inventor.

1.2. Ứng dụng trong môi trường y tế

Robot khử khuẩn đa phương án được thiết kế để ứng dụng trong môi trường y tế, đặc biệt là phòng cách ly bệnh nhân. Hệ thống có thể khử khuẩn bề mặt phẳng, góc tường và khu vực dưới sàn bằng cơ chế phun đa chiều. Khả năng điều khiển từ xa giúp nhân viên y tế hạn chế tiếp xúc trực tiếp với môi trường nguy cơ cao. Ngoài ra, robot có thể hoạt động trong các phòng thí nghiệm, phòng mổ hoặc khu vực có nguy cơ lây nhiễm cao.

II. Phân tích vấn đề và thách thức trong thiết kế robot khử khuẩn

Thiết kế robot khử khuẩn đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật, bao gồm khả năng hoạt động ổn định trong môi trường phức tạp, hiệu quả khử khuẩn và tính linh hoạt trong điều khiển. Vấn đề chính là đảm bảo cơ cấu di chuyển phù hợp với không gian hạn chế, trong khi cơ cấu phun phải đảm bảo độ phủ đều và hiệu quả khử khuẩn. Thách thức khác là tích hợp nhiều phương thức điều khiển (thủ công, tự động, dò line) mà vẫn duy trì tính ổn định của hệ thống. Ngoài ra, vấn đề tiêu thụ năng lượng và khả năng hoạt động liên tục cũng cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Khó khăn trong cơ cấu di chuyển

Cơ cấu di chuyển của robot khử khuẩn cần đảm bảo khả năng chịu tải cao, hoạt động ổn định trên nhiều bề mặt và linh hoạt trong không gian hạn chế. Sử dụng bánh xích giúp robot di chuyển trên nền đất không bằng phẳng, nhưng đòi hỏi thiết kế khung chịu lực chắc chắn. Ngoài ra, vấn đề ma sát và độ bám của bánh xích trên các bề mặt khác nhau cũng cần được tối ưu hóa. Cơ cấu di chuyển cũng cần đảm bảo tiếng ồn thấp để phù hợp với môi trường y tế.

2.2. Thách thức trong hệ thống phun khử khuẩn

Hệ thống phun khử khuẩn cần đảm bảo độ phủ đều trên toàn bộ bề mặt, bao gồm các góc tường và khu vực dưới sàn. Việc lựa chọn loại dung dịch khử khuẩn phù hợp và cơ chế phun hiệu quả là yếu tố quan trọng. Cơ cấu phun phải có khả năng điều chỉnh hướng phun linh hoạt, kết hợp với servo điều khiển góc phun. Ngoài ra, vấn đề tiêu thụ dung dịch và khả năng hoạt động liên tục cũng cần được xem xét để đảm bảo hiệu quả khử khuẩn.

III. Giải pháp thiết kế và thi công mô hình robot khử khuẩn

Giải pháp thiết kế tập trung vào tích hợp nhiều phương thức điều khiển, tối ưu hóa cơ cấu di chuyển và hệ thống phun khử khuẩn. Robot sử dụng vi điều khiển Arduino Nano làm bộ xử lý trung tâm, kết hợp với module Bluetooth HC-06 cho điều khiển không dây. Cơ cấu di chuyển sử dụng bánh xích chịu lực cao, đảm bảo hoạt động ổn định trên nhiều địa hình. Hệ thống phun khử khuẩn được thiết kế với vòi phun đa chiều, kết nối với bơm áp suất và servo điều khiển hướng phun. Giao diện điều khiển qua smartphone được phát triển bằng MIT App Inventor, cho phép người dùng giám sát và điều khiển robot từ xa.

3.1. Thiết kế mạch điều khiển và giao diện

Mạch điều khiển sử dụng vi điều khiển Arduino Nano ATmega 328P, tích hợp 32KB bộ nhớ Flash và 2KB SRAM. Module Bluetooth HC-06 được sử dụng để truyền thông không dây tầm ngắn, kết nối với smartphone. Giao diện điều khiển được phát triển bằng MIT App Inventor, cung cấp các khối lệnh kéo thả để người dùng dễ dàng điều khiển robot. Ứng dụng cho phép điều khiển thủ công, tự động hoặc theo đường line, kết hợp với giám sát trạng thái hoạt động của robot.

3.2. Thi công cơ cấu di chuyển và phun khử khuẩn

Cơ cấu di chuyển sử dụng bánh xích chịu lực cao, bao gồm 4 bánh xe chịu lực và 2 bánh tải chủ động. Khung robot được làm từ mica dày 5mm, đảm bảo độ cứng vững khi chịu tải. Cơ cấu phun khử khuẩn gồm vòi phun đa chiều, kết nối với bơm áp suất và servo điều khiển hướng phun. Vòi phun được gắn trên thanh mica dài 15cm, kết hợp với 2 servo tạo hình cánh tay robot 2 bậc, cho phép điều chỉnh hướng phun linh hoạt.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của robot khử khuẩn

Mô hình robot khử khuẩn đa phương án điều khiển đã được thiết kế và thi công thành công, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và ứng dụng trong môi trường y tế. Robot có khả năng hoạt động ổn định, hiệu quả khử khuẩn cao và linh hoạt trong điều khiển. Kết quả thử nghiệm cho thấy robot có thể khử khuẩn bề mặt phẳng, góc tường và khu vực dưới sàn với độ phủ đều. Ứng dụng trong phòng cách ly y tế giúp hạn chế tiếp xúc trực tiếp, nâng cao hiệu quả phòng chống dịch bệnh.

4.1. Hiệu quả và ưu điểm của mô hình

Mô hình robot khử khuẩn đa phương án điều khiển có nhiều ưu điểm vượt trội. Robot hoạt động ổn định trên nhiều địa hình, đảm bảo hiệu quả khử khuẩn cao nhờ cơ cấu phun đa chiều. Khả năng điều khiển từ xa qua smartphone giúp người dùng giám sát và điều khiển linh hoạt. Ngoài ra, robot có thể hoạt động trong môi trường nguy cơ cao, hạn chế tiếp xúc trực tiếp, nâng cao an toàn cho nhân viên y tế.

4.2. Triển vọng phát triển và ứng dụng

Mô hình robot khử khuẩn có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực y tế, phòng thí nghiệm và môi trường công nghiệp. Trong tương lai, robot có thể được nâng cấp với các cảm biến thông minh, tích hợp trí tuệ nhân tạo để tự động phát hiện và khử khuẩn khu vực nguy cơ cao. Ngoài ra, khả năng mở rộng ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp, xử lý chất thải cũng là hướng phát triển tiềm năng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn đề tài và bố cục đồ án. Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trình bày lý thuyết cơ sở làm tiền đề để thực hiện đồ án, sử dụng các đề tài đã được nghiên cứu làm cơ sở để tham khảo. Chương 3: Tính toán và thiết kế Từ những cơ sở lý thuyết có được đưa ra sơ đồ khối, tính toán và thiết kế các khối có trong hệ thống, thiết kế các lưu đồ giải thuật. Chương 4: Thi công hệ thống Trình bày quá trình thi công phần cứng hệ thống và xây dựng phần mềm điều khiển.

Chương 5: Kết quả - nhận xét - đánh giá Đưa ra kết quả, hình ảnh mô hình và nêu ý kiến đánh giá mô hình. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Đưa ra kết luận đề tài sau thời gian thực hiện và hướng phát triển của đề tài. Giới thiệu mô hình robot khử khuẩn Hiện nay xe phun khử khuẩn mang tính công nghệ cao chưa được áp dụng và phổ biến rộng rãi. Hầu hết những công việc khử khuẩn, phun thuốc được thực hiện bằng sức lao động của con người là chính nhưng hiệu suất công việc chưa cao và dễ gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe của người thực hiện công tác khử khuẩn do phải tiếp xúc trực tiếp với dung dịch.

Do đó, việc chế tạo sản phẩm robot phun khử khuẩn mang tính thiết thực để vận dụng vào thực tế với hiệu quả cao, đồng thời giảm sức lao động và tác nhân gây hại cho con người từ hóa chất là một điều cần thiết trong thời đại công nghệ 4. Vì vậy, mô hình robot phun khử khuẩn đưa ra nhằm thay thế đi các phương pháp khử khuẩn truyền thống và giúp đem lại nhiều hiệu quả trong công tác khử khuẩn cho con người. Trên thực tế, để thực hiện phun xịt khử khuẩn bên trong các khu cách ly, bệnh viện đang có người nhiễm Covid-19 thì robot rất thuận lợi sử dụng, bảo đảm tính an toàn cao cho người vận hành, tiết kiệm sức người, thời gian và có thể sử dụng bất kỳ lúc nào. Ngoài ra, khi tháo dỡ thùng đựng thuốc khử khuẩn, robot trở thành “người vận chuyển” hỗ trợ đưa hàng hóa, vật dụng của người bệnh hoặc lực lượng phục vụ, đội ngũ nhân viên y tế trong các khu cách ly, phong tỏa và địa điểm điều trị F0 tại nhà.

Mô hình robot khử khuẩn phòng cách ly Nhận thấy sự xuất hiện và lây lan mạnh mẽ của covid 19, công tác khử khuẩn càng được chú trọng nghiêm ngặt hơn đặc biệt là ở các khu cách ly điều trị ở bệnh viện. Với mục tiêu trên, các nhóm nghiên cứu đã thiết kế ra mô hình robot khử khuẩn phòng cách ly chuyên làm công việc khử trùng, diệt khuẩn ở các khu có nguy cơ lây nhiễm cao nhầm đảm bảo an toàn cho các nhân viên y tế. Mô hình sử dụng vi điều khiển trung tâm Arduino Nano và module SIM800C điều khiển cánh tay robot gắn các vòi phun sương phun thuốc diệt khuẩn. Sử dụng cảm biến E18- D80N để phát hiện vật cản kết hợp với mạch cầu VNH2SP30 điều khiển động cơ quay thuận nghịch giúp xe linh động di chuyển.

Tất cả các hoạt động của robot đều được điều khiển từ xa qua Flysky hoặc điều khiển trên giao diện web của máy tính. Trong đó, ưu điểm của mô hình này ngoài khả năng chính là phun khử khuẩn còn được kết hợp thêm các chức năng lau sàn nhà, vận chuyển thuốc và tự động khử khuẩn mình bằng dung dịch isopropyl 70%, hydrogen trước khi ra khỏi phòng cách ly. Tuy nhiên, nhược điểm của robot là khả năng phản hồi chưa tốt, cấu tạo khung bằng thép nên có trọng lượng lớn, ngoại hình khá cồng kềnh khó di chuyển ở khu vực nhỏ hẹp [1]. Mô hình robot khử khuẩn bề mặt bằng tia cực tím Công việc khử khuẩn dù được bảo hộ kỹ lưỡng nhưng vẫn có nguy cơ lây nhiễm rất cao.

Đề tài này nhằm mục đích thiết kế và thi công được mô hình robot diệt khuẩn bề mặt 4 bằng tia cực tím UVC, đưa ra nhiều giải pháp pháp triển giúp thuận lợi hơn trong việc làm giảm sự lây lan của virus. Mô hình robot sử dụng kit EPS32S tích hợp sẵn module wifi làm khối xử lý trung tâm có chức năng truyền và nhận dữ liệu từ cảm biến HCSR04, cảm biến hồng ngoại để tránh vật cản. Robot sử dụng động cơ giảm tốc GA25 với tốc độ di chuyển 10cm/s và trang bị thêm 3 bóng đèn diệt khuẩn UVC giúp tăng khả năng diệt khuẩn lên đến 99%. Trong đó ưu điểm của mô hình robot này là có thể hoạt động ở 2 chế độ bao gồm: chế độ thủ công điều khiển qua app Blynk trên điện thoại và chế độ tự động được di chuyển theo quỹ đạo zizac giúp né tránh những chướng ngại vật mà robot phát hiện trên đường đi.

Tuy nhiên, mô hình vẫn còn một số khuyết điểm như ứng dụng phản hồi chậm, thao tác di chuyển chưa chính xác. Đồng thời việc khử khuẩn bằng tia cực tím UVC phải đảm bảo không có người xung quanh để tránh những tác hại do loại tia này gây ra cho da và mắt [2]. Mô hình robot tránh vật cản Với nhu cầu cuộc sống ngày càng phát triển, mỗi công nghệ mới hiện đại đều có một sức hút rất lớn. Robot dò đường tránh vật cản cũng là một trong những công nghệ mới đã và đang được áp dụng vào đời sống sinh hoạt hằng ngày của con người.

Robot có nhiệm vụ vận chuyển hàng hóa nhanh chóng từ công đoạn này đến công đoạn khác. Với khả năng tìm đường và tránh vật cản giúp thực hiện nhiệm vụ chính xác và an toàn. Trong ứng dụng ô tô, với việc thiết lập hệ thống này giúp người lái luôn trong thế chủ động khi di chuyển tránh những tai nạn ngoài ý muốn. Ngoài ra, còn giúp người lái có những trải nghiệm mới lạ.

Khi lùi xe vào chỗ đậu, các cảm biến liên tục đo. Nếu gần va chạm sẽ báo cho người lái biết, tránh những thiệt hại không cần thiết. Mô hình sử dụng board Arduino Mega 2560 để làm khối điều khiển trung tâm, module sensor, mạch điều khiển động cơ, động cơ servo và cảm biến siêu âm. Khi robot di chuyển cảm biến siêu âm sẽ phân tích dữ liệu vật cản.

Các thông tin được chuyển và xử lý bởi bộ điều khiển trung tâm Arduino. Khoảng cách giữa vật cản và Robot nếu nhỏ hơn 15cm robot sẽ dừng lại và quay sang trái (hoặc phải). Đến khi không còn vật cản Robot sẽ tiếp tục di chuyển. Trước khi di chuyển, Robot lùi lại và tính toán khoảng cách vật cản bên trái và phải.

Bên nào có khoảng cách lớn hơn thì Robot sẽ quay về hướng ấy. Quá trình này sẽ lặp lại với tất cả các vật cản tiếp theo khi Robot di chuyển. Nhược điểm là xe còn di chuyển khó khăn ở những địa hình phức tạp [3] 2. Mô hình robot dò đường Trên thế giới hiện nay có rất nhiều loại robot quy mô lớn như: Cánh tay robot hoạt động trong nhà máy, xí nghiệp, những hệ thống sản xuất tự động… Bên cạnh đó là những robot có thể di chuyển và làm những công việc nguy hiểm thay con người.

Robot dò line là một trường hợp đặc biệt của mobile robot, trong đó robot sẽ nhận biết vị trí tương đối của mình 5 và bám theo đường line (line từ, line màu) đã có. Hiện nay robot dò line được ứng dụng rộng rãi trong các quá trình chế tạo trong công nghiệp, mang vác vật đến các địa điểm đặc biệt. Mô hình sử dụng board Arduino Mega 2560 để làm khối điều khiển trung tâm, module sensor và mạch điều khiển động cơ. Các mắt phát sẽ phát ra tia hồng ngoại có bước sóng hồng ngoại.

Mắt thu ở bề mặt chứa vùng sáng sẽ hấp thụ ánh sáng hồng ngoại đó. Ở trạng thái bình thường mắt thu có nội trở rất lớn (hàng trăm Kilo-Ohm). Khi thu nhận tia hồng ngoại vào nội trở của mắt thu giảm (vài chục Kilo-Ohm). Vì thế người ta gọi là Robot dò line do trong môi trường làm việc luôn có những đường line có tính chất phản xạ ánh sáng cao.

Đây sẽ là con đường di chuyển chủ yếu của Robot. Tuy nhiên nhược điểm của robot là không thể di chuyển trên các địa hình dốc và tốc độ di chuyển còn chậm [4]. Giới thiệu phần cứng 2. Module động cơ L298N Module L298N là một module có chứa IC L298 đã được tích hợp sẵn mạch cầu H thường được sử dụng để điều khiển tốc độ và hướng của động cơ như xe điều khiển, xe tự hành, điều khiển tốc độ quạt hút, hộp số giảm tốc, động cơ bước, động cơ servo.

Ngoài ra module cũng có thể dùng để kiểm soát độ sáng của các dự án chiếu sáng như mảng led công suất cao. Cụ thể là dùng module này để điều khiển tốc độ động cơ giảm tốc GA25 khi bánh xe robot di chuyển. Module này rất lý tưởng cho các ứng dụng để chế tạo robot. Dựa trên cơ sở đó, nhóm lựa chọn sử dụng module L298N để thực hiện việc điều khiển tốc độ di chuyển chậm của robot.

Module L298N có chức năng điều khiển tốc độ và hướng của động cơ DC, sử dụng nguồn cung cấp từ 5 – 35V, dòng cung cấp 0 – 36mA. Module có khả năng điều khiển tối đa 2 động cơ DC. Module này cũng được sử dụng trong đề tài [2] và [7] để điều khiển động cơ DC. Vi điều khiển Hiện nay vi điều khiển được lựa chọn trong rất nhiều đề tài để sử dụng làm bộ xử lý trung tâm.

Sau khi tham khảo qua đề tài [1] và [5], cả hai đều sử dụng board Arduino Nano ATmega 328P để làm bộ xử lý trung tâm. Cụ thể ở đề tài [1] tác giả dùng board Arduino để nhận tín hiệu từ module sim và cảm biến và thực hiện việc điều khiển di chuyển robot, còn trong đề tài [5] tác giả dùng board Arduino để điều khiển các cơ cấu xới đất, gieo hạt và di chuyển robot. Với các yêu cầu của mô hình, thực hiện việc điều khiển, giao tiếp với các module và động cơ, vì vậy nhóm đã lựa chọn dùng Arduino Nano ATmega 328P làm vi điều khiển chính. 6 Arduino Nano là một boad mạch vi điều khiển sử dụng chip xử lý Atmega 328p, hoạt động ở điện áp 5V và có tổng cộng 36 chân.

Về bộ nhớ Arduino Nano tích hợp sẵn 32KB dung lượng bộ nhớ Flash, 2KB bộ nhớ SRAM và 1KB bộ nhớ EEPROM.