Cùng với sự phát triển của xã hội loài người, các ngành khoa học - kỹ thuật không ngừng đi đến những thành công mới. Nhiều công trình khoa học, những phát minh của các nhà khoa học đã đi vào cuộc sống, phục vụ lợi ích của con người. Đời sống con người ngày càng được nâng cao (về vật chất, lẫn tinh thần). Vì vậy nhằm đáp ứng nhu cầu cuộc sống nhiều sản phẩm robot phục vụ đã ra đời và ngành kĩ thuật sản xuất các sản phẩm của robot này ngày càng phát triển.
Trang 1THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT PHỤC VỤ TRONG GIA ĐÌNH
Lê Tấn Đức*, Nguyễn Trung Hướng, Lương Thành Đạt
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
*Tác giả liên lạc: letanduc22@gmail.com
TÓM TẮT
Cùng với sự phát triển của xã hội loài người, các ngành khoa học - kỹ thuật không ngừng đi đến những thành công mới Nhiều công trình khoa học, những phát minh của các nhà khoa học đã đi vào cuộc sống, phục vụ lợi ích của con người Đời sống con người ngày càng được nâng cao (về vật chất, lẫn tinh thần) Vì vậy nhằm đáp ứng nhu cầu cuộc sống nhiều sản phẩm robot phục vụ đã ra đời và ngành kĩ thuật sản xuất các sản phẩm của robot này ngày càng phát triển Cũng theo xu hướng phát triển đó nhóm em đã chọn đề tài robot phục vụ trong gia đình với mục đích giúp cuộc sống con người ngày càng tốt đẹp, thoải mái hơn trong cuộc sống, phục vụ nhu cầu quản lý, hỗ trợ, giải trí … trong gia đình
Từ khóa: Phục vụ, quản lý, giải trí, hỗ trợ
DESIGN AND DEVELOPMENT OF SERVICE ROBOT IN FAMILY
Le Tan Duc*, Nguyen Trung Huong, Luong Thanh Dat
HCMC University of Technology and Education
*Corresponding authour: letanduc22@gmail.com
ABSTRACT
Along with the development of human society, the sciences - techniques constantly come to new successes Many scientific works, the inventions of scientists have come to life, serving the interests of man Human life has been improved (both material and spiritual) Therefore,
in order to meet the demand of life, many robotic products have been born and the technology
of producing robot products is growing Also according to the development trend, the group has chosen the topic of robots serving in the family with the aim of helping people's lives become better, more comfortable in life, serving the need of management, support, entertainment in the family
Keywords: Support, management, serve, entertainment
GIỚI THIỆU
Trong sự phát triển của công nghệ, máy móc
hiện đại luôn giành được sự quan tâm đặc
biệt, việc sử dụng các robot trong các nhà
máy đang không ngừng phát triển về số
lượng và có khả năng thay thế con người
trong tương lai
Cùng với sự phát triển của xã hội loài người,
các ngành khoa học - kỹ thuật không ngừng
đi đến những thành công mới Nhiều công
trình khoa học, những phát minh của các nhà
khoa học đã đi vào cuộc sống, phục vụ lợi
ích của con người Đời sống con người ngày
càng được nâng cao (về vật chất, lẫn tinh
thần) Vì vậy nhằm đáp ứng nhu cầu cuộc
sống nhiều sản phẩm robot phục vụ đã ra đời
và ngành kĩ thuật sản xuất các sản phẩm của
robot này ngày càng phát triển Cũng theo xu
hướng phát triển đó nhóm em đã chọn đề tài
robot phục vụ trong gia đình với mục đích
giúp cuộc sống con người ngày càng tốt đẹp, thoải mái hơn trong cuộc sống
Thiết kế cơ khí
Robot được đề cập trong bài báo này chủ yếu hoạt động trong gia đình, phục vụ chủ yếu cho người già và trẻ em Người già thường ít
đi lại và đứng không được lâu nên chiều cao phù hợp trong khoảng 0.5-1 mét Để tránh sự trơn trợt và những trở ngại về tĩnh học, động năng Vì thế ta thiết kế robot di chuyển bằng bánh xe thay vì dùng chân
Robot có 3 phần chính: đầu, thân và đế robot Phần thân được thiết kế nhỏ gọn và đế gồm 2 bánh xe điều hướng và một bánh tự lượn làm cho quá trình robot di chuyển linh hoạt hơn trong không gian nhiều gia đình khác nhau.Yêu cầu robot nhỏ gọn nên việc sử dụng một màn hình sẽ hợp lý Màn hình cảm ứng hiển thị và tương tác với người dùng được đặt trên đầu robot với 2 trục quay ở cổ
Trang 2tạo điều khiện phù hợp khi giao tiếp với
người dùng ở các vị trí và chiều cao khác
nhau Tốc độ tối đa của robot là 0.9 km/h
Dựa trên các tiêu chí chính nêu trên, chúng tôi đã thiết kế mẫu robot như hình 1
Hình 1 Hình dạng bên ngoài của robot
Mô hình động học của robot di động biểu
diễn bởi hệ phương trình cho phép phỏng
đoán vị trí của robot trên quỹ đạo của nó, xác
định vị trí và hướng robot cùng với quá trình
điều khiển, tất cả di chuyển của robot di động
có thể chia thành chuyển động tịnh tiến và
quay Phần tử cơ bản của mọi robot di động
là bánh xe Tham số động học bao gồm bán
kính bánh xe, chiều dài trục gắn bánh xe,
điểm đặt trọng tâm Mô hình động học được
đơn giản gồm 2 bậc tự do (DoF) có 3 bánh
gồm 2 bánh chủ động và 1 bánh bị động tự
lựa (caster) như hinh 2 Trạng thái của robot
di động với cơ cấu bánh xe vi sai thay đổi
theo vận tốc 2 bánh chủ động, khi robot di
chuyển từ vị trí hiện tại đến điểm cần đến
x
y
l
Hướng x
Hình 2 Mô hình động học của robot di
chuyển trên bệ vi sai
Từ mô hình của mỗi bánh xe, vận tốc di
chuyển thẳng là vận tốc thẳng trung bình của
2 bánh xe:
2
xr
(1)
Di chuyển quay của robot là:
2
Hoạt động của robot phụ thuộc vào các biến điều khiển v và w
2
v w w
l r
l
w w
cos sin 2 cos sin 2
l r
x
y
Với wl và wr là vận tốc góc của bánh xe trái
và phải của robot Với giá trị wl và wr khác nhau của robot, quỹ đạo sẽ hình thành vl là vận tốc thẳng của bánh xe trái và vr vận tốc thẳng của bánh xe phải, R là khoảng cách có dấu từ ICR tới trung điểm của 2 bánh xe
Thiết kế hệ thống điện-điều khiển
Hình 3 Sơ đồ kết nối mạch điện
Hệ thống điều khiển robot là một hệ thống kết nối và tương tác giữa các thành phần và thiết bị như: máy tính bảng, loa, microphone,
vi điều khiển, cảm biến, động cơ,…
Kiểm soát trung tâm là máy tính bảng Máy tính bảng có chức năng quản lý toàn bộ hoạt
Trang 3động của hệ thống, thu thập và xử lý thông
tin quan trọng và kết nối các thiết bị với
nhau Ở đây, dữ liệu thu được từ camera và
micrô được xử lý bởi CPU Tính các hành
động thích hợp như hiển thị thông tin để giao
tiếp với người sử dụng qua màn hình và loa,
hoặc kiểm soát hành vi của robot thông qua
các vi điều khiển qua bluetooth Việc kiểm
soát hành vi robot được thực hiện và quản lý
bởi một vi điều khiển
Vi điều khiển này nhận được tín hiệu điều
khiển từ máy tính bảng và sau đó phân tích
nó và gửi lệnh cho bộ truyền động để thực
hiện (di chuyển robot đến một vị trí nhất
định, thay đổi hướng của máy ảnh, vv)
Ngoài ra, vi điều khiển cũng nhận được tín
hiệu từ các cảm biến để điều khiển robot
thông minh hơn, như: sử dụng cảm biến âm
thanh để tránh các chướng ngại vật trong khi
di chuyển, đọc các tín hiệu bộ mã hoá để di
chuyển đến đúng vị trí
Hệ thống hỗ trợ trong gia đình
Robot được ứng dụng trong môi trường hoạt
động trong nhà với nhều loại robot khác nhau
từ những môi trường điều kiện giới hạn như
phân xưởng nơi robot công nghiệp được ứng
dụng cho đến những ứng dụng trong những
hoạt động dân dụng mà môi trường không
xác định trước Một trong những nghiên cứu
robot di động là việc định vị robot di chuyển
đến mục tiêu một cách chính xác Hiện nay hầu hết robot đều di chuyển theo bản đồ cố định có sẵn, tuy nhiên vấn đề khó khăn gặp phải là môi trường động, mà quản lý thông tin theo sự thay đổi của môi trường là khá phức tạp
Để việc điều khiển robot tốt và linh hoạt trong môi trường trong nhà thì việc quản lý thông tin môi trường cần phải được quan tâm Định vị thông minh, robot cần 2 kiểu thông tin môi trường đó là thông tin tĩnh và toàn cục, mô tả trong bản đồ hình học phẳng
mà nó đã có sẵn như mối quan hệ của vị trí của từ điểm bắt đầu đến bất cứ vị trí điểm đến bằng cách lập đường đi và thông tin cục
bộ địa phương như bản đồ trích, chướng ngại vật, thông tin về giao thông dành cho việc điều khiển robot trong môi trường động Robot có thông tin đường di chuyển đơn giản tới mục tiêu và hệ thống trợ giúp thông tin, thiết bị truyền thông loại nhỏ lắp trong môi trường giúp quản lý thông tin môi trường thực cục bộ
Robot giao tiếp với người với những câu đơn giản như:
- Hello, what is your name?
- How old are you?
- What's your name?
- Hi! I am MiBo
- Can you sing a song?
Hình 4 Nhận diện giọng nói
Khi đóng vai trò trợ lý chăm sóc gia đình,
Robot có thể chủ động cung cấp các nhắc
nhở với các thông tin quan trọng như lịch hẹn
với bác sỹ, giờ uống thuốc, lịch tập thể dục hay bất cứ điều gì cần phải được ghi nhớ
Hình 5 Nhắc nhở giờ uống thuốc
Trang 4Hình 6 Đặt lịch hẹn thông qua robot hoặc điện thoại
Robot cũng theo dõi các tình huống khẩn cấp
- như vấp ngã, nó sẽ ngay lập tức thông báo
cho các thành viên trong gia đình qua
smartphone Khi nhận được các thông báo
khẩn cấp này, các thành viên gia đình có thể điều khiển Robot từ xa để di chuyển lại gần, dùng camera tích hợp trên robot để kiểm tra trực quan hình ảnh hiện trường
Hình 7 Thông báo tình huống bị té ngã
Hình 8 Giám sát và điều khiển robot qua wifi
Bên cạnh khả năng hỗ trợ người lớn tuổi và
trẻ nhỏ, Robot có thể kết nối và điều khiển
nhiều thiết bị thông minh trong ngôi nhà, từ
các thiết bị truyền thống như hệ thống chiếu
sáng, TV, điều hòa không khí cho đến nhiều
thiết bị khác
Bên cạnh đó, robot còn có thể dự báo thời tiết trong ngày : nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió vào từng khoảng thời điểm cụ thể trong ngày
Trang 5Hình 9 Dự báo thời tiết
KẾT LUẬN
Sau một thời gian thực hiện đã đạt được
những kết quả sau:
- Mô hình được thực hiện hoàn thiện bao
gồm các phần thiết kế cơ khí và mạch điện
- Phân tích và xử lý ảnh nhận diện mặt người
từ đó biết được tên người và tracking theo
khuôn mặt
- Phân tích và xử lý giọng nói đầu vào và cho
ra kết quả giao tiếp với người nói chuyện
- Gọi điện cho người thân khi phát hiện có
trường hợp té ngã
- Chủ động cung cấp các nhắc nhở với các
thông tin quan trọng như lịch hẹn với bác sỹ,
giờ uống thuốc, lịch tập thể dục hay bất cứ
điều gì cần phải được ghi nhớ
- Robot có thể kết nối và điều khiển nhiều
thiết bị thông minh trong ngôi nhà, từ các
thiết bị truyền thống như hệ thống chiếu
sáng, TV, điều hòa không khí cho đến nhiều
thiết bị khác
- Robot còn có thể dự báo thời tiết trong ngày: nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió vào từng khoảng thời điểm cụ thể trong ngày
Ngoài những mặt tích cực cũng như các tiêu chí đã đạt được như trên thì robot vẫn còn có nhiều nhược điểm cần được khắc phục và nghiên cứu tiếp như: Việc tracking biên dạng người, tránh vật cản nhanh hơn, giao tiếp nhiều loại ngôn ngữ, thực hiện được nhiều công việc hơn, hình dáng bên ngoài chưa được thẩm mĩ,…
Trong quá trình thực hiện đề tài, do những hạn chế về trình độ và thời gian thực hiện đề tài có hạn, chương trình được xây dựng hoạt động chưa hoàn chỉnh Để triển khai trong thực tế còn đòi hỏi cần phải cải tiến hơn nữa
Hy vọng robot được phát triển nhiều chức năng và trí thông minh nhân tạo để hỗ trợ tốt cho con người, tối ưu hóa các thuật toán điều khiển và mở rộng phạm vi ứng dụng
TÀI LIỆU THAM KHẢO PHAN XUÂN MINH (2008), Giáo trình Lý thuyết điều khiển tự động, NXB Giáo Dục
NGUYỄN THANH THÚY, LƯƠNG BÁ MẠNH (2007), Nhập môn xử lý ảnh, NXB Khoa Học Kỹ Thuật
MASAO TAKIZAWA, YASUSHI MAKIHARA, NOBUTAKA SHIMADA, JUN MIURA
AND YOSHIAKI SHIRAI, A Service Robot with Interactive Vision - Object Recognition Using Dialog with User, Osaka University, 2-1 Yamadaoka, Suita, Osaka
565-0871, Japan
JORDI-YSARD PUIGBO, ALBERT PUMAROLA, AND RICARDO TELLEZ, Controlling
a General Purpose Service Robot By Means Of a Cognitive Architecture, Technical
University of Catalonia
NICHOLAS ROY, GREGORY BALTUS, DIETER FOX, FRANCINE GEMPERLE, JENNIFER GOETZ, TAD HIRSCH, DIMITRIS MARGARITIS, MIKE MONTEMERLO, JOELLE PINEAU, JAMIE SCHULTE, SEBASTIAN THRUN,
Towards Personal Service Robots for the Elderly
DEB PARKER, stroke! - Accelerating the critical countdown, expediting response and treatment, Washington University in St Louis, The School of Medicine, 2015