Cùng với sự tiến bộ và phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, robot hiện nay đã trở nên thông minh hơn thế hệ robot truyền thống. Chúng đóng vai trò ngày càng quan trọng trong sản xuất thông minh, hệ thống vận chuyển thông minh, internet vạn vật, dịch vụ thông minh và sức khỏe y tế. Ở một số nước trên thế giới, trong một số lĩnh vực robot đã trở nên phổ biến góp phần giải quyết sức lao động của con người, nâng cao hiệu quả lao động, tránh được những ảnh hưởng do công việc có tính chất nguy hiểm, độc hại, nặng nhọc, phức tạp so với con người trực tiếp thực hiện. Trên thị trường hiện nay, đã có rất nhiều loại robot phục vụ cho y tế nhưng giá thành của chúng rất đắt và chưa thực sự được sử dụng phổ biến ở các vùng nông thôn , nơi mà cơ sở vật chất còn nhiều thiếu thốn và nhiều bệnh nhân cần được chăm sóc. Các sản phẩm trên thì trường rất khó tiếp cận và vận hành .
KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU
Cơ sở lý luận
Arduino là nền tảng mã nguồn mở lý tưởng cho việc phát triển ứng dụng điện tử, bao gồm mạch lập trình và phần mềm IDE hỗ trợ soạn thảo, biên dịch và nạp chương trình Được ưa chuộng bởi người mới bắt đầu, Arduino nổi bật với tính đơn giản, hiệu quả và dễ tiếp cận, cùng với tài liệu hướng dẫn phong phú Nền tảng này cho phép hiện thực hóa các ý tưởng từ đơn giản đến phức tạp trong lĩnh vực tự động hóa.
Ngôn ngữ lập trình C++ đóng vai trò quan trọng trong việc học lập trình cơ bản, nhờ vào đặc tính là ngôn ngữ lập trình bậc trung Hầu hết các trường đào tạo công nghệ thông tin tại Việt Nam lựa chọn C++ làm môn học nền tảng cho sinh viên trong ngành.
Cơ sở thực tiễn
- Sử dụng robot trong việc phục vụ trong y tế là xu thế tất yếu trong tương lai
- Mô hình robot phục vụ y tế còn khá xa lạ đối với nước ta
Nghiên cứu robot y tế sẽ tạo nền tảng cho việc phát triển các loại robot khác phục vụ đời sống, góp phần giải phóng sức lao động của con người.
Lập kế hoạch nghiên cứu
STT NỘI DUNG THỜI GIAN THỰC HIỆN
2 Tìm đọc tài liệu, nghiên cứu về các vật liệu máy Từ 01/07/2021 đến 01/08/2021
3 Viết đề cương nghiên cứu Từ 01/08/2021 đến 15/09/2021
4 Vẽ sơ đồ tổng quan hệ thống, tính toán thiết kế hệ thống Từ 15/09/2021 đến 15/10/2021
5 Mua vật liệu, chế tạo các chi tiết Từ 15/10/2021 đến 01/11/2021
7 Vận hành thử nghiệm, kiểm tra lỗi, xử lí dữ liệu Từ 16/11/2021 đến 05/12/2021
8 Hoàn thiện sản phẩm Từ 05/12/2021 đến 08/12/2021
Nghiên cứu lựa chọn các phương án để thực hiện dự án
4.1 Lựa chọn phương án điều khiển robot
Có nhiều phương pháp điều khiển robot, nhưng hai phương pháp phổ biến mà nhóm nghiên cứu đã tìm hiểu là điều khiển bằng tay và điều khiển bằng cách dò line.
4.1.1 Điều khiển robot bằng tay:
Robot điều khiển bằng tay là một yếu tố quan trọng trong robocon, đóng vai trò hỗ trợ cho robot tự động trong các trận đấu Đôi khi, robot này có khả năng thay đổi cục diện trên sân thi đấu Mạch điều khiển của robot bằng tay chủ yếu sử dụng mạch relay để điều khiển động cơ.
Gamepad cho robot điều khiển bằng tay được chia thành hai loại: điều khiển từ xa bằng hồng ngoại và điều khiển trực tiếp bằng dây cáp Sử dụng mạch thu phát hồng ngoại có thể dẫn đến tính ổn định không cao, vì vậy việc áp dụng vi xử lý để thu phát theo tần số riêng là lựa chọn tốt nhất Gamepad Playstation kết nối qua dây cáp mang lại độ ổn định rất cao do kết nối trực tiếp với vi xử lý, đồng thời thiết kế phần cứng cũng rất gọn gàng.
4.1.2 Điều khiển Robot bằng dò đường
Robot dò đường là loại robot có khả năng di chuyển theo quỹ đạo đã được định sẵn, thường là theo một đường màu đen trên bề mặt trắng hoặc ngược lại Ngoài ra, robot này cũng có thể hoạt động trên các đường vô hình như từ trường hoặc trên bề mặt kim loại Robot dò đường đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế và chế tạo robot cho nhiều lĩnh vực khác nhau.
* Điều khiển robot bằng sử dụng phần mềm trên điện thoại Androi
Phương pháp điều khiển robot này đang ngày càng trở nên phổ biến nhờ vào khả năng di chuyển linh hoạt của robot Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất là người sử dụng cần phải trực tiếp can thiệp vào quá trình điều khiển.
Sau khi nghiên cứu hoạt động thực tế của việc điều khiển robot, chúng tôi đã quyết định chọn phương án điều khiển robot thông qua điện thoại di động kết nối bluetooth.
4.2 Lựa chọn phương án di chuyển cho bobot
Robot có thể di chuyển theo nhiều cách, bao gồm di chuyển bằng bánh xe, bánh xích, chân, bay hoặc lặn Việc lựa chọn phương thức di chuyển phụ thuộc vào mục đích sử dụng cụ thể Trong nghiên cứu của chúng tôi, chúng tôi tập trung vào hai phương pháp di chuyển chính là bánh xe và bánh omni để đáp ứng yêu cầu của dự án.
4.2.1 Di chuyển bằng bánh xe
Bánh xe là phương pháp di chuyển phổ biến nhất cho robot, với kích thước đa dạng từ vài chục cm đến hàng mét Xu hướng hiện nay tập trung vào bánh xe nhỏ, thường là 5cm, với thiết kế ba bánh cho mỗi robot: một bánh lái và hai bánh di chuyển được gắn động cơ.
+ Chi phí thấp so với các phương pháp khác
+ Đơn giản trong thiết kế và chế tạo
+ Sự lựa chọn tuyệt vời cho người mới bắt đầu
+ Diện tích tiếp xúc bề mặt nhỏ
4.2.2 Di chuyển bằng bánh xích:
Bánh xích, hay còn gọi là bánh răng, được sử dụng trong các thiết bị như xe tăng và máy kéo nhờ khả năng thích ứng với địa hình và yêu cầu lực kéo Cấu trúc bánh xích giúp giảm thiểu trượt và phân phối đều trọng lượng, làm cho chúng phù hợp với các bề mặt như cát, đất yếu và địa hình gồ ghề Hơn nữa, việc sử dụng bánh xích cũng mang lại vẻ ấn tượng cho các loại robot.
+ Tiếp xúc bề mặt lớn, giảm khả năng trượt
+ Phân bố trọng lượng đều, có thể hoạt động linh hoạt trên nhều bề mặt khác nhau
+ Tăng đáng kể không gian sử dụng của Robot, không cần các bánh xe có ổ đĩa lớn
+ Gây tổn hại bề mặt khi di chuyển
+ Ổ đĩa xích hạn chế số lượng động cơ có thể sử dụng
+ Tính phức tạp cơ khí tăng (số khớp nối, số liên kết, cơ cấu lực … tăng)
Sau khi nghiên cứu và đánh giá các phương pháp di chuyển, nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng di chuyển bằng bánh xe là phương án tối ưu nhất cho dự án Quyết định này được đưa ra dựa trên những ưu điểm vượt trội của phương pháp này, phù hợp với yêu cầu và mục tiêu của dự án.
4.3 Lựa chọn phương án chọn vi điều khiển
Vi điều khiển là một trong những thành phần thiết yếu của robot, đóng vai trò như bộ não để xử lý và điều khiển hoạt động Trong dự án robot dò đường của nhóm nghiên cứu, tốc độ không phải là yếu tố chính, do đó có thể sử dụng các loại vi điều khiển như PIC, AVR, ARM, hoặc Arduino Quyết định chọn vi điều khiển Arduino dựa trên kiến thức cơ bản mà nhóm đã nắm vững.
Arduino cho dự án của mình vì nó đơn giản, dễ sử dụng cho tất cả mọi người, mọi lứa tuổi, tài liệu hướng dẫn phong phú…
Hình Minh họa một số vi điều khiển thường dùng.
TIẾN TRÌNH NGHIÊN CỨU
Thiết kế ý tưởng
+ Thiết kế khung cơ khí của robot, các tấm fomex lắp ghép bên ngoài
Mô phỏng kết cấu robot trên phần mềm thiết kế giúp kiểm tra độ liên kết giữa các chi tiết, đồng thời đánh giá sự tương thích giữa vỏ fomex bên ngoài và khung cơ khí phía dưới.
Dựa trên kích thước của các linh kiện có sẵn trên thị trường, sản phẩm robot y tá được thiết kế để lắp đặt vừa vặn các linh kiện, đồng thời đảm bảo tính nhỏ gọn tối đa.
Hình Bản thiết kế sơ khai Robot y tá
+ Thuê cắt nhôm, mài góc định hình phần khung robot bằng nhôm định hình để đảm bảo độ chắc chắn và giảm trọng lượng cho robot
+ Đế di chuyển được thiết kế với 2 bánh đa hướng Omni được điều khiển bởi 2 động cơ và 1 bánh Omni
+ Cơ cấu trục bánh xích và nhông được ứng dụng để đẩy các khay mang đồ
Sơ đồ khối hệ thống
Nghiên cứu thiết bị, linh kiện
2.1 Khối nguồn : Bao gồm pin 3S 12V và các module mạch đáp ứng
Dựa vào điều kiện sử dụng nên nhóm chúng em đã dùng loại pin lithium-ion 4S có dung lượng lớn, bền nhưng đáp ứng được năng lượng lớn
- Kích Thước: Dài 65mm x đường kính 18mm Hình : Pin Lithium-ion 18650
Chúng em sử dụng mạch nguồn hạ áp LM2596 để cung cấp nguồn 5V cho vi xử lý Arduino và các mạch điều khiển động cơ.
Hình: Module hạ áp LM2596
2.2 Vi xử lí trung tâm Arduino Uno
Hình : Arduino Uno và sơ đồ chân
Nhóm nghiên cứu chọn Arduino Uno làm mạch xử lí trung tâm là vì có các ưu điểm sau:
Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit
14 Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)
Tần số hoạt động 16 MHz
Dòng tiêu thụ khoảng 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC
Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)
Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA
Dòng ra tối đa (5V) 500 mA
Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader
Giá thành Giá thành không quá cao, phù hợp với học sinh
2.3.1 Động cơ giảm tốc JGB37-555
Hình : Động cơ giảm tốc JGB37-555
2.3.2 Mạch điều khiển động cơ
Mạch cầu H - 43A tích hợp driver trong IC, cho phép giao tiếp hiệu quả với vi điều khiển Mạch này được trang bị đầy đủ tính năng như cảm biến dòng điện thông qua điện trở đo dòng, tạo dead time, và bảo vệ chống quá nhiệt, quá áp, quá dòng, sụt áp và ngắn mạch.
• Điện áp sử dụng: 7 ~ 24 VDC (Limit: 6.5 ~ 27VDC)
Công suất tối đa của động cơ là 160W, tuy nhiên khi hoạt động liên tục, chỉ nên sử dụng khoảng 70% công suất, tương đương 115W Để đảm bảo an toàn, cần lắp thêm cầu chì bảo vệ quá tải.
• Control signal current: 3 ~ 11 mA (Each route)
• Minimum valid Pulse Width: 5us
2.3.3 Động Cơ Motor Giảm Tốc GA37
THÔNG SỐ KỸ THUẬT CƠ BẢN
• Điện áp sử dụng: 12VDC
Motor 12VDC 200RPM có dòng không tải là 50mA và dòng chịu đựng tối đa khi có tải lên đến 1.2A Tốc độ không tải đạt 200RPM, trong khi tốc độ tối đa khi có tải là 190RPM Lực kéo moment định mức của motor là 2.5KG.CM, còn lực kéo moment tối đa có thể đạt tới 24KG.CM.
2.3.4 Mạch điều khiển động cơ GA37 Đặc điểm nổi bật:
• Giao thức điều khiển động cơ và chiều quay rất đơn giản
• Điều chỉnh dòng định mức cấp cho động cơ bằng triết áp
• Có chức năng bảo vệ ngắn mạch, bảo vệ quá nhiệt, bảo vệ tụt áp và chống dòng ngược
Bật tắt động cơ thông qua chân ENABLE, mức LOW là bật module, mức HIGH là tắt Điều khiển chiều quay của động cơ thông qua pin DIR
17 Điều khiển bước của động cơ thông qua pin STEP, mỗi xung là tương ứng với một bước (hoặc vi bước)
Chọn chế độ hoạt động bằng cách đặt mức logic cho các chân MS1, MS2, MS3
Hình : Mạch điều khiển động cơ L298
3 Sơ đồ mạch của Robot
Hình: Sơ đồ mạch nguyên lý
Bước 1: Lắp khung và bánh Bước 2: Hàn dây điện vào motor và các link kiện
Bước 4: Lắp công tắc hành trình cho các khay Bước 3: Lắp dây xích cho các khay
Bước 5: Nạp Code Bước 6: Lắp mạch
Bước 8: Chạy thử Bước 7: Gắn pin và công tắc nguồn
5 Chương trình dùng để điều khiển robot
Sử dụng phần mềm mã nguồn mở Arduino Bluetooth Controller để điều khiển Robot
Phần mềm này được cung cấp miễn phí trên CH Play
Hình Giao diện phần mềm Arduino Bluetooth Controller
6 Nguyên lí hoạt động của thiết bị
Robot HC05 tương thích với các dòng smartphone Android từ phiên bản 6.0 trở lên Để sử dụng, y tá chỉ cần kết nối thiết bị của mình với robot qua Bluetooth, sau đó bật ứng dụng Arduino Bluetooth Controller để điều khiển và sử dụng.
Tất cả các dòng máy từ Android 6.0 trở lên đều hỗ trợ tính năng chia đôi màn hình, cho phép người dùng sử dụng nhiều ứng dụng cùng lúc Trong các tình huống sử dụng tại chỗ, y tá có thể kết nối điện thoại hoặc máy tính với thiết bị gắn trên robot thông qua công cụ Teamview Đối với bác sĩ ở xa, chế độ đa ứng dụng cần được bật để vừa sử dụng camera quan sát đường đi, vừa điều khiển robot qua ứng dụng.
Sau khi bật nguồn, vi điều khiển Arduino Uno sẽ kiểm tra trạng thái mở hoặc đóng của khay 1 và 2 Nếu khay mở, Arduino Uno sẽ gửi tín hiệu điều khiển đến Module L298 để điều khiển động cơ quay, giúp khay tự động đóng lại.
- Robot ở trạng thái chờ điều khiển, lúc này module bluetooth HC05 sẽ chờ kết nối
- Sau khi kết nối với điện thoại, Arduino chờ nhận tín hiệu điều khiển từ Bluetooth HC05:
+ Nếu lệnh trả về là F: Arduino gửi tín hiệu cho mạch cầu H điều khiển hai bánh xe tiến
+ Nếu lệnh trả về là G: Arduino gửi tín hiệu cho mạch cầu H điều khiển hai bánh xe lùi
+ Nếu lệnh trả về là R: Arduino gửi tín hiệu cho mạch cầu H điều khiển bánh trái tiến, bánh phải lùi Khiến robot rẽ phải
+ Nếu lệnh trả về là L: Arduino gửi tín hiệu cho mạch cầu H điều khiển bánh trái lùi, bánh phải tiến Khiến robot rẽ trái
+ Nếu lệnh trả về là S: Arduino gửi tín hiệu cho mạch cầu H điều khiển hai bánh dừng
+ Nếu lệnh trả về là X: Arduino gửi tín hiệu cho mạch L298 mở khay 1 + Nếu lệnh trả về là Y: Arduino gửi tín hiệu cho mạch L298 mở khay 2.
Quy trình chế tạo
Bước 1: Lắp khung và bánh Bước 2: Hàn dây điện vào motor và các link kiện
Bước 4: Lắp công tắc hành trình cho các khay Bước 3: Lắp dây xích cho các khay
Bước 5: Nạp Code Bước 6: Lắp mạch
Bước 8: Chạy thử Bước 7: Gắn pin và công tắc nguồn
Chương trình dùng để điều khiển robot
Sử dụng phần mềm mã nguồn mở Arduino Bluetooth Controller để điều khiển Robot
Phần mềm này được cung cấp miễn phí trên CH Play
Hình Giao diện phần mềm Arduino Bluetooth Controller.
Nguyên lí hoạt động của thiết bị
Robot HC05 tương thích với smartphone chạy Android 6.0 trở lên Y tá chỉ cần kết nối thiết bị của mình với robot qua Bluetooth và sử dụng ứng dụng Arduino Bluetooth Controller để điều khiển.
Từ Android 6.0 trở đi, các dòng máy đều hỗ trợ tính năng chia đôi màn hình, cho phép người dùng sử dụng nhiều ứng dụng cùng lúc Trong trường hợp y tá cần kết nối với thiết bị gắn trên robot, họ có thể sử dụng điện thoại hoặc máy tính thông qua công cụ Teamview Đối với bác sĩ ở xa, chế độ đa ứng dụng rất hữu ích, cho phép họ vừa sử dụng camera để quan sát đường đi của robot, vừa điều khiển robot thông qua ứng dụng.
Sau khi khởi động, vi điều khiển Arduino Uno sẽ kiểm tra trạng thái mở hoặc đóng của các khay 1 và 2 Nếu một trong các khay mở, Arduino Uno sẽ gửi tín hiệu điều khiển đến Module L298 để điều khiển động cơ, giúp khay di chuyển vào và đóng lại.
- Robot ở trạng thái chờ điều khiển, lúc này module bluetooth HC05 sẽ chờ kết nối
- Sau khi kết nối với điện thoại, Arduino chờ nhận tín hiệu điều khiển từ Bluetooth HC05:
+ Nếu lệnh trả về là F: Arduino gửi tín hiệu cho mạch cầu H điều khiển hai bánh xe tiến
+ Nếu lệnh trả về là G: Arduino gửi tín hiệu cho mạch cầu H điều khiển hai bánh xe lùi
+ Nếu lệnh trả về là R: Arduino gửi tín hiệu cho mạch cầu H điều khiển bánh trái tiến, bánh phải lùi Khiến robot rẽ phải
+ Nếu lệnh trả về là L: Arduino gửi tín hiệu cho mạch cầu H điều khiển bánh trái lùi, bánh phải tiến Khiến robot rẽ trái
+ Nếu lệnh trả về là S: Arduino gửi tín hiệu cho mạch cầu H điều khiển hai bánh dừng
+ Nếu lệnh trả về là X: Arduino gửi tín hiệu cho mạch L298 mở khay 1 + Nếu lệnh trả về là Y: Arduino gửi tín hiệu cho mạch L298 mở khay 2
+ Nếu lệnh trả về là M: Arduino gửi tín hiệu cho mạch L298 đóng khay 1 + Nếu lệnh trả về là N: Arduino gửi tín hiệu cho mạch L298 đóng khay 2
Lưu đồ thuật toán của hệ thống
THỬ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN KẾT QUẢ
Thử nghiệm
- Thử nghiệm trong nhà trường: Dùng Robot y tá để đưa máy đo thân nhiệt và bình xịt khuẩn tới các lớp ở khoảng cách xa
- Thử nghiệm ở trạm y tế địa phương: Dùng Robot y tá để đưa thuốc men, nước uống và đồ ăn cho bệnh nhân
Trong quá trình nghiên cứu, nhóm chúng em đã thực hiện nhiều thử nghiệm cho từng phần cũng như tổng thể thiết bị Nhờ vào việc tận dụng các thiết bị sẵn có và công cụ thông dụng, chúng em đã nhanh chóng hoàn thiện sản phẩm.
Thảo luận và đánh giá sản phẩm
Khảo sát ý kiến và đánh giá của các y tá và bác sĩ tại trạm y tế địa phương sau khi đã thử nghiệm Robot y tá
Trong số 150 mẫu khảo sát có:
1 Robot y tá có thể làm giảm nguy cơ lây nhiễm COVID-19 hay không?
2 Robot y tá có dễ điều khiển và quản lý hay không?
3 Quý bác(cô, chú, ) có hài lòng khi sử dụng Robot y tá hay không?
Sau khi trải nghiệm, đa số y bác sĩ tỏ ra hài lòng và thích thú với việc sử dụng Robot y tá, nhờ vào sự tiện lợi mà nó mang lại trong việc giảm thiểu nguy cơ lây nhiễm Covid-19 và các bệnh truyền nhiễm khác.
Ban giám hiệu, giáo viên và học sinh trường THPT Phan Bội Châu đều đánh giá cao tính tiện lợi và dễ sử dụng của các biện pháp phòng chống Covid-19, giúp đảm bảo giữ khoảng cách tiếp xúc an toàn.
- Sản phẩm được đánh giá cao và đã giảnh giải nhất trong cuộc thi ngày hội Stem do nhà trường tổ chức vào tháng 11 vừa qua
Robot y tá được đánh giá cao bởi các y tá, bác sĩ và bệnh nhân tại trạm y tế địa phương nhờ vào tính năng dễ sử dụng trên điện thoại thông minh, tốc độ di chuyển nhanh và khả năng tiếp cận thuận tiện Đặc biệt, robot giúp duy trì khoảng cách an toàn giữa bệnh nhân và nhân viên y tế, góp phần phòng chống lây nhiễm Covid-19 và các bệnh truyền nhiễm khác Tuy nhiên, một số bệnh nhân phản ánh rằng tiếng ồn từ bánh xe của robot khi di chuyển có thể gây khó chịu.
ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Sau thành công ban đầu của dự án, nhóm nghiên cứu đã xác định định hướng phát triển nhằm mở rộng sự hiện diện của thiết bị trên thị trường và tiếp tục nghiên cứu, chế tạo để tối ưu hóa sản phẩm.
+ Tối ưu hóa phần mềm ứng dụng trên các dòng máy Android, giảm bớt việc sử dụng công cụ chia đôi màn hình làm máy nhanh hết pin
+ Phát triển phần mềm trên hệ điều hành Ios (Apple)
+ Nghiên cứu về máy học (Machine learning) để robot có thể lưu lại sơ đồ bệnh viện, khu cách ly mà thường xuyên sử dụng
+ Nghiên cứu việc sử dụng camera độc lập để robot có thể hoạt động tự động khi cần thiết
+ Nâng cấp khả năng mang các ngăn chứa đồ
KIẾN NGHỊ
Nhóm nghiên cứu hy vọng Ban giám hiệu nhà trường và các cơ quan chức năng sẽ tiếp tục hỗ trợ về kinh phí và tạo điều kiện học tập, nhằm giúp chúng em hoàn thiện sản phẩm "Robot y tá – NurseBot" để ứng dụng rộng rãi hơn.
Để thiết bị được ứng dụng thực tiễn, cần sự hỗ trợ và cho phép từ các cơ quan chức năng, cùng với việc đánh giá và kiểm chứng kỹ thuật Ngoài ra, việc tuân thủ các quy định pháp lý và tiêu chuẩn kỹ thuật là điều bắt buộc.
