Thầy trò sáng chế robot di chuyển trên tường nhà

Ý tưởng từ thực tế

Những năm gần đây, cùng với sự phát triển nhanh của ngành robot và trí tuệ nhân tạo, các nhà khoa học và doanh nghiệp trên thế giới đã đạt nhiều bước tiến trong việc phát triển robot cỡ nhỏ có khả năng di chuyển trên các bề mặt thẳng đứng như tường, thậm chí cả trần nhà. Công nghệ này mở ra nhiều ứng dụng quan trọng trong công nghiệp, xây dựng, kiểm tra công trình, cứu hộ và quốc phòng. Tuy vậy, mức độ phát triển của robot leo tường chưa đồng đều giữa nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và ứng dụng thương mại.

Trên thực tế, một số công ty đã thương mại hóa robot leo tường, chủ yếu phục vụ kiểm tra và bảo trì công trình. Các robot này có thể bám trên bề mặt bê tông, kim loại hoặc kính để thực hiện những công việc như kiểm tra kết cấu, phát hiện hư hỏng hay vệ sinh bề mặt. Một số doanh nghiệp phát triển robot leo tường tiêu biểu có thể kể đến như Gecko Robotics, Ecovacs Robotics, Hobot Technology, HausBots…

Các sản phẩm của những công ty này thường được dùng để kiểm tra bồn chứa công nghiệp, tàu biển, cầu, nhà máy điện hoặc lau kính các tòa nhà cao tầng. Tuy nhiên, phần lớn robot thương mại hiện nay chủ yếu hoạt động trên các bề mặt tường thẳng đứng, trong khi khả năng di chuyển ổn định trên trần nhà vẫn còn hạn chế.

Xuất phát từ xu hướng công nghệ này, nhóm sinh viên Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TPHCM, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Đặng Xuân Ba - giảng viên Khoa Điện - Điện tử, đã chế tạo robot leo tường cỡ nhỏ. Sản phẩm được kỳ vọng hỗ trợ nhân viên viễn thông trong việc nối cáp trong nhà thuận lợi hơn so với phương pháp đi dây thủ công hiện nay.

Theo Trương Quốc Huy - đại diện nhóm sinh viên, khi đi dây cáp trên la phông trần nhà, nhiều trường hợp nhân viên viễn thông phải tháo từng tấm la phông, vừa tốn thời gian vừa tốn công sức. Bên cạnh đó, một số khu vực trần có kích thước nhỏ hoặc nằm cao so với nền khiến việc thao tác càng khó khăn.

Từ thực tế này, nhóm nảy sinh ý tưởng chế tạo robot có thể leo tường, di chuyển trên trần và mang theo dây cáp để hỗ trợ quá trình thi công. Sau khoảng ba tháng nghiên cứu và chế tạo, nhóm đã hoàn thiện phiên bản đầu tiên của robot leo tường với kích thước nhỏ gọn 15 x 15cm, đủ khả năng luồn qua các khe la phông để thực hiện việc đi dây.

Robot được trang bị động cơ điện công suất lớn thường sử dụng trong máy bay không người lái. Động cơ làm quay cánh quạt đặt dưới gầm robot, tạo luồng khí bị đẩy ra ngoài, từ đó hình thành lực hút giúp robot bám chặt vào bề mặt tường. Bốn bánh xe được thiết kế nhiều rãnh cao su nhằm tăng độ ma sát và khả năng bám.

Theo nhóm nghiên cứu, lực bám của robot phụ thuộc vào tốc độ quay của động cơ. Thông số này được tính toán cẩn thận, bởi nếu lực bám quá thấp robot sẽ không thể di chuyển trên tường và dễ bị rơi; ngược lại, nếu lực bám quá mạnh, robot sẽ khó di chuyển do độ ma sát lớn, làm giảm tốc độ hoạt động.

Để đánh giá hiệu quả, nhóm đã thử nghiệm robot trên nhiều loại bề mặt tường khác nhau, từ gồ ghề đến phẳng. Kết quả cho thấy robot đều có thể di chuyển ổn định. Khi hoạt động trên trần nhà, nhóm tăng tốc độ động cơ để đảm bảo lực bám cần thiết. “Việc điều chỉnh công suất động cơ phụ thuộc vào khối lượng của robot cũng như khả năng mang tải của nó”, Trương Quốc Huy cho biết.

Nhằm giảm trọng lượng, khung sườn robot được thiết kế bằng công nghệ in 3D, sử dụng động cơ kích thước nhỏ nhưng công suất lớn. Bộ nguồn là pin lithium kết nối với động cơ bằng dây dẫn đặt bên ngoài.

Hiện, robot có khối lượng không tải khoảng 0,5kg. Động cơ hoạt động ở điện áp 16V, dòng điện 60A và có thể mang tải tối đa khoảng 1,7kg (bao gồm cả trọng lượng robot). Tốc độ di chuyển tối đa đạt khoảng 4 m/s, thời gian hoạt động liên tục khoảng 15 phút.

Theo nhóm nghiên cứu, thời gian vận hành có thể tăng lên nếu sử dụng loại pin có dung lượng lớn hơn. Ngoài ra, các thành viên còn tự thiết kế mạch điều khiển động cơ, lắp camera quan sát và xây dựng chương trình điều khiển robot thông qua điện thoại thông minh.

Tiềm năng ứng dụng

Dù có nhiều ưu điểm, robot vẫn tồn tại một số hạn chế. Theo Trương Quốc Huy, do hệ thống pin được đặt bên ngoài và kết nối với robot bằng dây dẫn nên khi hoạt động dễ xảy ra hiện tượng sụt áp. Sau một thời gian vận hành, nguồn năng lượng cung cấp cho động cơ không còn đủ mạnh, dẫn đến lực bám giảm. Nguyên nhân chủ yếu là do robot cần dòng điện lớn; khi di chuyển xa, dây dẫn phải dài hơn, làm tăng điện trở và gây hao hụt dòng điện, từ đó làm giảm hiệu suất của động cơ.

Theo nhóm nghiên cứu, một giải pháp là sử dụng dây dẫn có tiết diện lớn hơn để giảm điện trở, tuy nhiên điều này lại làm tăng trọng lượng của hệ thống. Trong thời gian tới, nhóm dự định xây dựng chương trình giúp robot tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng. Cụ thể, robot chỉ sử dụng dòng điện cao khi leo tường hoặc bám trần, còn khi di chuyển trên bề mặt phẳng sẽ tự động chuyển sang mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn.

PGS.TS Đặng Xuân Ba - giảng viên Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TPHCM, cho biết các sản phẩm xe hoặc robot leo tường, di chuyển trên trần nhà hiện chủ yếu được phát triển trong các nghiên cứu phòng thí nghiệm hoặc trong một số đồ chơi công nghệ. Ngoài ứng dụng hỗ trợ đi dây cáp, robot còn có thể được sử dụng để di chuyển và quan sát, kiểm tra sự cố trong những không gian nhỏ hẹp, môi trường khắc nghiệt mà con người khó tiếp cận.

Tuy nhiên, để phát triển thành sản phẩm phục vụ một ứng dụng cụ thể, theo PGS.TS Đặng Xuân Ba, nhóm nghiên cứu cần tiếp tục đánh giá độ ổn định và tính linh hoạt trong vận hành.

Việc này đòi hỏi phải thử nghiệm robot nhiều lần trong điều kiện thực tế, đặc biệt trong quá trình đi dây trong nhà, nhằm tối ưu thiết kế, điều chỉnh công suất động cơ và dự phòng các tình huống sự cố để đảm bảo an toàn khi vận hành. Bên cạnh đó, vật liệu chế tạo robot cũng cần được cải tiến để tăng độ bền, khả năng chịu va đập và đảm bảo sự ổn định của động cơ trong quá trình hoạt động.

Sản phẩm robot leo tường của nhóm hiện đã được một doanh nghiệp viễn thông đặt vấn đề thử nghiệm nhằm hỗ trợ nhân viên kỹ thuật, với chi phí dự kiến khoảng 1 triệu đồng cho mỗi robot. Nếu thử nghiệm thành công, nhóm dự định tiếp tục nâng cấp robot để có thể hoạt động tự động theo chương trình cài đặt sẵn mà không cần người điều khiển.