Nghiên cứu xây dựng mô hình hệ thống tạo cảm giác 3d ứng dụng giải thuật fuzzy pid

1.3 Giới thiệu chung về Robot ứng dụng làm ghế xem phim 3D 1.3.1 Lịch sử ra đời và phát triển Robot Từ thập niên 50, cùng với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển theo chương trình số

CHƯƠNG I:

TỔNG QUAN

1.1 Ảnh hưởng của sự ph t triển khoa học lên nhu cầu giải tr

Ngày nay với sự phát triển rất nhanh và rất mạnh về các IC chip tính toán và các bộ điều khiển kết hợp với các thiết bị điều khiển chính xác có tính đáp ứng tốt,

do đó việc ứng dụng khả năng mô phỏng và tái tạo thực tế ảo để giảm giá thành so với thực nghiệm là nhu cầu cần rất lớn trong xã hội Cụ thể là trong lĩnh vực dạy học lái xe, lái tàu, huấn luyện phi công máy bay hay là phi công lái xe tăng đã và vẫn đang được nghiên cứu phát triển Mặt khác lĩnh vực mô phỏng thực tế ảo cũng không kém phần có nhu cầu rất lớn trong làng giải trí 3D và các trò chơi thực tế ảo

cụ thể như xe đua thể thức F1 hay trượt tuyết hoặc thám hiểm rừng già Amazon với cảm giác gần như thật Đây cũng là sân chơi lành mạnh giúp cho đại đa số người dân

có thu nhập trung bình cảm nhận được những cảm giác mà thực tế đôi khi không bao giờ có được vì vậy vấn đề sử dụng công nghệ cao để mô phỏng thực tế ảo để ứng dụng vào trong giả trí đang được quan tâm

Như chúng ta cũng biết Việt Nam với hơn 80 triệu dân, kèm với tốc độ tăng trưởng về dân số của chúng ta cũng khá nhanh so với tốc độ tăng trưởng các dịch vụ giải trí và nhu cầu sân chơi cho giới trẻ bị thu hẹp rất nhanh do tận dụng xây dựng nhà ở Do đó việc trải nghiệm thực tế cho các trò chơi là rất khó Do đó, để thỏa mãn trong tương lai về việc trải nghiệm thực tế ảo thì các nước tiên tiến đã nghiên cứu và chế tạo đem vào vận hành hệ thống robot mô phỏng thực tế ảo kết hợp với phim 3D

để tạo ra được cảm giác gần như thật Hệ thống này giúp cho người tham gia thỏa mãn về giải trí tự muốn khám phá tham quan một số nơi mà nơi đó chưa có khả năng kinh tế đáp ứng

Chúng ta đã biết báo chí đưa tin là một số doanh nghiệp đã đầu tư nhiểu tỷ đồng vào Phòng chiếu phim 3D tại cụm rạp Megarstar tại TP.HCM và đầu tư nhiều

tỷ đồng cho 2 phòng chiếu phim 3D tại TP.Hà Nội Và đầu tư phòng chiếu phim 5D tại khu du lịch Hồ Mây của Thành Phố Vũng Tàu

Đặc biệt một số tỉnh lị nhỏ thì chưa có cơ hội tham gia các trò chơi này Vì kinh phí ngoại nhập cũng như phụ tùng thay thế và sửa chửa chưa phù hợp cho thu nhập của các thành phố còn có mức thu nhập thấp

Vì vậy sau khi học xong kho học về tự động hoá thì em cảm nhận được nếu

nghiên cứu phát triển và thực nghiệm được bộ công cụ hỗ trợ phòng giải trí phim 3D thì là một giải quyết tốt cho nước nhà và là cơ hội để các tỉnh nhỏ lẻ có cơ hội tham gia vào trò chơi kỹ thuật cao này

Với mục đích xây dựng mô hình thực tế ảo kết hợp với nhưng cụm thiết bị đã được phát triển hoàn thiện bởi các nhà cung cấp khác để phối hợp thực hiện được một cụm phòng chiếu phim 3D với chỉ số kinh tế kỹ thuật phù hợp cho nhu cầu giải trí của tỉnh nhỏ lẻ vì vậy hệ thống gồm các cụm thiết bị chính như sau:

o Hệ thống chiếu phim 3D: gồm máy chiếu, màn hình, phim 3D, kính xem 3D,

o Ghế di động tạo cảm giá 3D (hay còn gọi robot của hệ thống): gồm robot phần cơ khí, tủ điều khiển, bộ tạo dữ liệu cho robot theo đoạn phim

o Bộ tạo hiệu ứng: gồm bộ tạo khói, phun nước, mùi,

o Máy tính kết nối dữ liệu: gồm phần mềm đồng bộ tín hiệu các hệ thống trên thành một chương trình quản lý cho người điều khiển dẽ sử dụng

1.2 Phòng chiếu phim 3D

Hình 1.1 Phòng chiếu phim với hệ thống ghế tạo cảm giác 3D

Phòng chiếu phim 3D của nước ngoài đầu tư tại khu du lịch Hồ Mây, TP Vũng Tàu Với cấu trúc của phòng chiếu phim này gồm các thành phần chính như sau:

o Màn hình + mày chiếu chiếu phim 3D

o Ghế xem phim 3D dùng cho 2 người ngồi một và các bộ ghế này hoạt động đồng bộ và giống nhau Các ghế này nghiêng, đưa lên và chúi xuống theo đoạn phim đã trình chiếu trên màn hình

o Bộ tạo âm thanh ánh sáng và phun nước cho phòng chiếu

Hình 1.2a - Ghế xem phim tạo cảm giác 3D của nước ngoài

Hình 1.2b Ghế xem phim 3D sử dụng robot song song Tripod

Cấu trúng thông thường của ghế xem phim 3D thông thường các ghế này chuyển động được theo 5 bậc tự do DOF Do vậy nên thông thường người ta chọn cấu hình Tripod cho hệ thống này Có thể sử dụng thuỷ lực, hay hơi háp lực cao điều

khiển bằng van khí servo hay bằng động cơ tuyến tính,

Hình 1.3 Game đua xe 3D sử dụng robot song song Tripod

Mô hình tạo phòng chiếu phim đơn lẻ cho game cao cấp tại một đơn vị nghiên cứu

1.3 Giới thiệu chung về Robot ứng dụng làm ghế xem phim 3D

1.3.1 Lịch sử ra đời và phát triển Robot

Từ thập niên 50, cùng với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển theo chương trình số NC (Numerical Control) với sự hỗ trợ của các cơ cấu Servo và các hệ điện toán (Computation), ý tưởng kết hợp điều khiển NC với các cơ cấu điều khiển từ xa được hình thành và triển khai nghiên cứu Vào giữa những năm 50, bên cạnh các tay máy chép hình cơ khí, đã xuất hiện các loại tay máy chép hình thủy lực và điện từ như tay máy Minotaur I hoặc tay máy Handyman của General Electric Năm 1954 George C.Devo đã thiết kế một thiết bị có tên là “Cơ cấu bản lề dùng để chuyển hàng theo chương trình” Đến năm 1956 Devol cùng với Joseph F.Engelber, một kỹ

sư công nghiệp hàng không, đã tạo ra loại Robot công nghiệp đầu tiên năm 1969 ở công ty Unimation mới bắt đầu có lợi nhuận từ sản phẩm Robot đầu tiên này

Từ năm 1972 bắt đầu thời kỳ của các Robot thế hệ thứ hai: Robot được điểu khiển bằng máy tính có các cơ quan cảm xúc là các cảm biến liên hệ ngược Đại diện cho thế hệ này là Robot Shakey của viện nghiên cứu Stanford Nó là sự thể hiện tổng hợp của các thành tựu Khoa học - Kỹ thuật - Công nghệ Cơ khí - Điện

- Điện tử - Điều khiển tự động - Tin học Robot bắt đầu được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực: từ sản xuất đến nghiên cứu khoa học,cả y tế và đời sống hàng ngày

Năm 1976 chiếc máy công cụ CNC sử dụng Microcomputer ra đời

Những năm đầu tiên của thế kỷ 21, Robot đang bước sang thế hệ mới Từ các Robot điều khiển theo kiểu thao tác (Manual Input) rồi đến kiểu Dẫn - Dạy, các kiểu điều khiển này đựợc gọi chung là điều khiển có chương trình

dẫn đường và các Robot kiểu này thường được gọi là Robot khéo léo (Robot Habilis) Tiếp đến là các Robot có trình điều khiển thích nghi - thông minh, Robot có trí khôn (Robot Spiens)

Sự tiến bộ của Khoa học - Kỹ thuật - Công nghệ gần như thuộc mọi lĩnh vực

Cơ học - Cơ khí - Điện - Điện tử - Điều khiển tự động - Máy tính - Tin học - Sinh vật học đều được thể hiện trên sự phát triển của Robot Những ứng dụng mới nhất của Robot vào y học có thể kể như Robot phẫu thuật và thay thế các cơ quan hoạt động của con người, để mô phỏng các loại sinh vật

Những kết qủa tiến bộ của Khoa học - Kỹ thuật - Sản xuất cho đến những năm 1970 đã hình thành khoa học Roboties và Cơ - Điện tử (Mechatronics), từ đó cũng bắt đầu đào tạo các chuyên gia kỹ thuật thuộc lĩnh vực Robot và Cơ - Điện tử

Trong những năm gần đây, robot công nghiệp chủ yếu được dùng cho các thao tác lặp lại nhiều lần và trong các môi trường nguy hiểm Xu hướng của con người là chế tạo ra các robot thông minh, giúp việc nhà, giúp người tàn tật, Mặc

dù có nhiều lỗ lực để phát triển robot thông minh, nhưng các loại robot có thể mô phỏng nhiều chức năng của con người vẫn còn những hạn chế nhất định, đòi hỏi sự phát triển của công nghệ và trí tuệ nhân tạo

1.3.2 Robot có cấu trúc song song

Xuất phát từ nhu cầu và khả năng linh hoạt hóa trong sản xuất, các cơ cấu Robot cũng ngày càng phát triển rất đa dạng và phong phú và phù hợp cho ứng dựng vào trong Game giải trí 3D Trong những thập niên gần đây, Robot cấu trúc song song được Gough và Whitehall nghiên cứu năm 1962 và sự chú ý ứng dụng của Robot cấu trúc song song đã được khởi động bởi Stewart vào năm 1965 Ông là người cho ra đời một buồng (phòng) tập lái máy bay dựa trên cơ cấu song song Hiện nay cơ cấu song song được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực

Loại Robot song song điển hình gồm có bàn máy động được nối với giá cố định, dẫn động theo nhiều nhánh song song hay còn gọi là số chân Thường số chân bằng số bậc tự do, được điều khiển bởi nguồn phát động đặt trên giá cố định hoặc ngay trên chân Chính lý do này mà các Robot song song đôi khi gọi là các Robot có

bệ Các cơ cấu tác động điều khiển tải ngoài, nên cơ cấu chấp hành song song thường có khả năng chịu tải lớn

Một số ưu nhược điểm của Robot song song:

Nhìn chung, tất cả các lọai Robot có cấu trúc song song đều có nhiều ưu điểm

và có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, các bộ mô hình máy bay, các khung

đỡ kiến trúc có khớp nối điều chỉnh, các máy khai thác mỏ

- Ưu điểm :

o Khả năng chịu tải cao: các thành phần cấu tạo nhỏ hơn nên khối lượng của các thành phần cũng nhỏ hơn

o Độ cứng vững cao do kết cấu hình học của chúng:

o Tât cả các lực tác động đồng thời được chia sẻ cho tất cả các chân Cấu trúc động học một cách đặc biệt của các khớp liên kết cho phép

o chuyển tất cả các lực tác dụng thành các lực kéo/nén của các chân

o Có thể thực hiện được các thao tác phức tạp và họat động với độ chính

xác cao: với cấu trúc song song, sai số chỉ phụ thuộc vào sai số dọc trục của các cụm cơ cấu chân riêng lẻ và các sai số không bị tích lũy

o Có thể thiết kế ở các kích thước khác nhau

o Đơn giản hóa các cơ cấu máy và giảm số lượng phần tử do các chân và khớp nối được thiết kế sẵn thành các cụm chi tiết tiêu chuẩn

o Cung cấp khả năng di động cao trong quá trình làm việc do có khối lượng và kích thước nhỏ gọn

o Các cơ cấu chấp hành đều có thể định vị trên tấm nền

o Tầm hoạt động của Robot cơ cấu song song rất rộng từ việc lắp ráp các chi tiết cực nhỏ tới các chuyển động thực hiện các chức năng phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao như: phay, khoan, tiện, hàn, lắp ráp

o Các Robot cơ cấu song song làm việc không cần bệ đỡ và có thể di chuyển tới mọi nơi trong môi trường sản xuất Chúng có thể làm việc ngay cả khi trên thuyền và treo trên trần, tường

o Giá thành của các Robot song song ứng dụng trong gia công cơ khí ít hơn so với máy CNC có tính năng tương đương

- Nhược điểm:

Tuy nhiên các Robot song song cũng có những nhược điểm nhất định khi so sánh với các Robot chuỗi như:

o Khoảng không gian làm việc nhỏ và khó thiết kế

o Việc giải các bài toán động học, động lực học phức tạp

o Có nhiều điểm suy biến (kỳ dị) trong không gian làm việc

1.3.3 Tổng quan về robot song song 3 chân (tripod)

Robot song song tripod là một dạng robot có cấu trúc kết cấu cơ khí theo kiểu

song song, thông thường robot song song tripod bao gồm 3 thanh chống được nối liền từ một giá cố định đến một cái giá di động Giá di động có thể điều chỉnh mở rộng vị trí bằng cách thay đổi các giá trị vật lý của các thanh chống, khớp nối (gọi là thay đổi vật lý của các chân) cấu trúc song song Thông thường các chân này được truyền động bằng thủy lực hoặc các loại truyền trục vít bánh vít để thay đổi chiều dài của chân

Với sự kết hợp chuyển động của các chân làm cho giá di động mang bộ phận công tác có thể di chuyển chủ yếu theo 3 bậc tự do bao gồm duy chuyển tịnh tiến theo trục z trong hệ trục đề các, và xoay quanh hai trục góc Euler Khả năng tự do tối

đa mà bộ phận công tác có thể làm việc trong không gian là 3 bậc tự do (3DOF) (2 bậc xoay và một bậc tịnh tiến)

Hình 1.4- Robot song song tripod

Ưu điểm của robot song song Tripod

Với cấu trúc nhiều thanh chống Tripod đạt nhiều lợi thế so với robot nối tiếp:

o Khả năng chuyển động linh hoạt với 3 bậc tự do

o Điều khiển đạt độ chính xác và độ ổn định cao

o Nhờ cơ cấu song song nên Tripod có độ cứng vững rất lớn với kết cấu đơn giản

o Có thể tạo ra lực nâng và lực tác động lớn

Nhược điểm của robot song song Tripod

Mặc dù robot song song Tripod có những ưu điểm như trên, tuy nhiên Tripod còn nhiều hạn chế như về mặt vùng làm việc nhỏ và có đáp ứng chậm hơn so với robot nối tiếp, vận tốc làm việc tối đa không được lớn (nếu sử dụng các thanh là song song như hình 1.4) Để khắc phục khuyết điểm này cần có thiết kế cơ khí phù hợp và công nghệ cao để khắc phục như ABB đã triển khai cho robot hình 1.5 hoặc một số giải pháp khác tuỳ theo ứng dụng và độ chính xác của hệ thống

Hình 1.5- Robot song song tripod do ABB sản xuất

Hình 1.6 – Tripod khong có trụ đỡ ở giữa

CHƯƠNG II:

T M HIỂU V T VẤN Ề CHO LĨNH VỰC NGHI N C U

2.1 Hệ thống và phân cụm chức năng cho phòng chiếu phim 3D

Với ý tưởng ứng dụng hệ thống robot song song tripod làm ghế di chuyển tạo cảm giác 3D phục vụ cho ngành giải trí trong hệ thống chiếu phim 3D thì tổng thể hệ thống được phân theo các chức năng và tận dụng các thiết bị đã được thiết kế hoàn chỉnh để giảm giá thành và phù hợp với nhu cầu kinh tế của Việt nam

Vì vậy phòng chiếu phim 3D được thiết kế với các dự định sau:

trung bình cho 4~5 cặp ghế 2 người ngồi cho một lần chiếu Vì vậy nên hệ thống 3D xem phim cũng không phải là cần nổi hẳn 3D Chỉ cần màn hình máy chiếu + LCD projector kết nối từ phim được chiếu

từ máy tính để tạo cảm giác tương đối trong phòng tối

khả năng nâng 2 người ngồi (tải trong khoảng 220kg đã bao kèm ghế

và mặt sàn) và có độ tịnh tiến theo phương Z khoảng 24 cm và góc nghiêng tối đa theo các phương khoảng +/-140 Gia tốc max khoảng 0.06m/s (Dữ liệu tham chiếu để điều khiển ghế được tạo offline từ trước theo từng bộ phim, có phần mềm hỗ trợ tạo dữ liệu này)

o Phần mềm trên máy tính:

 Phần mềm thứ nhất là sử dụng cho người vận hành phòng chiếu phim sau này Phần mềm này bao gồm các dữ liệu của từng phim được để trong ổ cứng và người trình chiếu chỉ mở chương trình và chọn phim thì các dữ liệu được tự động mở và đồng bộ với toàn hệ thống

 Phần mềm thứ 2 là được sử dụng tạo dữ liệu off line cho từng thiết

bị Như gió, và dữ liệu cho ghế 3D Vì thông thường người tạo dữ liệu sẽ lần lượt làm từng công đoạn một Ví dụ họ sẽ tạo tín hiệu cho gió trước, và sau đó cho các tín hiệu số đóng mở van nước, khói Và sau cùng thì tạo dữ liệu cho ghế 3D và các dữ liệu này được phần mềm ghi nhân lại theo thời gian và được đồng bộ thành

1 file dữ liêu duy nhất cho đoạn phim đó Vì trong quá trình tạo dữ liệu cho ghế là khó nhất nên một bộ ghế thu nhỏ được dựng theo

mô hình của ghế thật và người tạo dữ liệu sẽ dùng tay điều khiển mặt sàn của ghế theo cảm nhận xem được từ đoạn phim Các dữ liệu này chủ yếu là độ dài của 3 chân Tripod theo từng thời gian được ghi nhận lại

Hình 2.1 Hệ thống phòng chiếu phim 3D mini do Cty Anh Thăng đang triển khai

2.2 Sơ đồ khối cho hệ thống phòng chiếu phim 3D

Hình 2.2- Sơ đồ khối của hệ thống chiếu phim 3D

Sơ đồ hệ thống của phòng chiếu phim theo các khối trên cũng được phân theo chức năng ở mục 2.1 thì được thể hiện trong hình 2.2 với chức năng liên kết điều khiển các thành phần được miêu tả như sau:

Ghế tạo cảm giác 3D: các ghế (ghế 02 người ngồi và được điều khiển đồng

bộ từ máy tính), ghế này kết nối với máy tính thông qua chuẩn truyền thông RS 232,

RS 485 hoặc CAN hay USB (như hình 2.2)

Tủ điều khiển: bao gồm một mạch đệm kết nối máy tính (thông qua chuẩn

kết nối LPT, RS485, RS232 hoặc USB, hay CAN, ); các mạch lái công suất cho động cơ (hoặc relay đóng cắt van thủy lực ) để tạo lực cho ghế xem phim tạo cảm giác 3D và thiết bị điều khiển hiệu ứng điều khiển các hiệu ứng (thông qua các relay

số, van solenoid và biến tần) Bộ điều khiển này nhận file dữ liệu off-line từ máy tính đã được tạo cho bộ phim đang chiếu, dữ liệu này chính là thông số chiều dài của các chân ghế (đây là dữ liệu tham chiếu đầu vào cho các bộ mạch lái động cơ, hoặc mạch lái van servo để điều khiển chân ghế xem phim có bộ phận tạo lực là động cơ servo hay là ty thủy lực tương ứng tạo cảm giác 3D) Đồng thời cũng nhận tín hiệu

dữ liệu để điều khiển “on” hay “off” các tín hiệu tạo hiệu ứng, trong đó bao gồm 1

tín hiệu tương tự cho điều khiển hiệu ứng gió thông qua thiết bị điều khiển hiệu ứng

Máy tính: là nơi lưu trữ phim 3D và file dữ liệu (gồm file dữ liệu tạo cảm

giác 3D, dữ liệu các hiệu ứng) đã tạo sẵn Máy tính có cài đặt các phần mềm như:

Phần mềm kết nối để chiếu phim 3D: có nhiệm vụ kết nối với mạch đệm kết nối máy tính để chuyển các tín hiệu khởi động cho hệ thống ghế và hệ thống hiệu ứng Đồng thời kết nối dữ liệu off-line cho phim (loading file) và kết nối tín hiệu nút

“play” của phần mềm chiếu phim để thực hiện thao tác, file dữ liệu off-line được chuyển tuần tự theo thời gian xuống cho mạch đệm của tủ điều khiển, và đây là dữ liệu tham chiếu đầu vào cho các mạch lái hoặc mạch động lực để thực hiện tạo ra sự

di chuyển của ghế và các hiệu ứng theo tuần tự thời gian Khi kết thúc các dữ liệu của off-line thì gửi tín hiệu hoàn tất chiếu phim cho tủ điều khiển để phía dưới có những động tác phù hợp kết thúc phim (như hạ ghế xuống vị trí thấp nhất, tắt các hiệu ứng, )

Phần mềm tạo dữ liệu cho ghế xem phim tạo cảm giác 3D và tạo dữ liệu cho các hiệu ứng: Phần mềm này có chức năng ghi nhớ các dữ liệu của mô hình thu nhỏ

và nhân tỷ lệ với mô hình thật tạo thành file dữ liệu off-line cho bộ phim, sau đó dựa trên time-line của phần dữ liệu tạo cho ghế để tạo dữ liệu cho các hiệu ứng, các dữ liệu này được phần mềm tạo dữ liệu kết hợp tạo thành dữ liệu off-line cho phim

Mô hình ghế thu nhỏ để tạo dữ liệu off-line cho ghế xem phim tạo cảm giác

3D: là một mô hình thu nhỏ của ghế xem phim tạo cảm giác 3D, có tỷ lệ 1:5 và cấu trúc giống ghế xem phim, trên mô hình ghế thu nhỏ này gắn các cảm biến để đo chiều dài thực mong muốn của các chân trong qúa trình tạo dữ liệu cảm giác 3D Dữ liệu này thông qua một mạch kết nối máy tính được ghi nhận theo chuỗi thời gian (10ms/lần) tạo thành file dữ liệu off-line cho việc chiếu phim

Thiết bị tạo dữ liệu cho hiệu ứng: hiệu ứng của phim chủ yếu là ánh sáng,

khói, nước, (là các tín hiệu số) và gió (tín hiệu tương tự), vì vậy thiết bị này thường bao gồm các công tắc gạt và bộ biến trở (dưới dạng chân ga xe hơi)

Mạch kết nối máy tính: kết nối máy tính với mô hình ghế thu nhỏ và thiết bị

tạo dữ liệu cho hiệu ứng, ghi nhận kết quả đo chiều dài thực của các chân mô hình ghế thu nhỏ theo chuỗi thời gian, tạo file dữ liệu off-line lưu trữ lên máy tính phục

vụ cho việc chiếu phim

2.3 Quy trình chuẩn bị tạo dữ liệu off-line cho bộ phim

Đây là quá trình điều khiển thiết bị theo quỹ đạo biết trước nên hay còn gọi là điều khiển thiết bị theo dữ liệu tham chiếu đã được thiết lập trước hoặc gọi là điều khiển theo dữ liệu offline

Quy trình chuẩn bị tạo dữ liệu offline cho bộ phim được thực và chiếu phim

có thể được tạo bằng nhiều phương pháp Tuy nhiên tác giả chọn phương pháp thiết lập mô phỏng từ mô hình có kích thước tỷ lệ so với thực tế

Một mô hình có kích thước nhỏ đủ để người làm dữ liệu dễ dàng thao tác bằng tay để trong quá trình vừa xem phim vừa thao tác với mô hình thực nghiệm sau đó dữ liệu được phần mềm xử lý qua để tránh hiện tượng nhảy cấp nhanh quá (vọt gia tốc quy định của phần cứng) để chỉnh lại cho dữ liệu được trơn chu hơn bằng tay hoặc bằng phần mềm Excell

Các bước chuẩn bị cho việc tạo dữ liệu: tạo dữ liệu off-line cho bộ phim được thực thực hiện theo các bước :

o Tín hiệu tương tự (Analog) cho tín dữ liệu hiệu ứng gió được sử dụng bàn đạp giống chân ga xe hơi để mô phỏng lại cảm giác tốc độ của thiết bị ảo Và các tín hiệu điều khiển dạng Digital gạt các công tắc tạo

dữ liệu off-line cho các dữ liệu hiệu ứng khói, ánh sáng, phun nước,

o Để giảm lượng số chuyên viên làm việc cùng một lúc Và để tiết kiệm chi phí chi trả cho chuyên viên tạo dữ liệu và quản lý phòng chiếu phim thì chỉ cần một người thực hiện công việc này Thì một đoạn code sẽ được viết để kết nối các dữ liệu cho từng công đoạn thành một mảng dữ liệu off-line cho bộ phim

Hình 2.3- Quy trình tạo dữ liệu

2.4 Quy trình chiếu phim chiếu phim 3D

Các bước chuẩn bị cho vận hành hệ thống được thực hiện qua các thao tác sau:

o Kết nối phần cứng theo hình 2.4

Hình 2.4 sơ đồ kết nối điều khiển cho các cụm chức năng của hệ thống

o Khởi động phần mềm kết nối để chiếu phim

 Khai báo các chuẩn kết nối và cổng kết nối máy tính với tủ điều khiển

 Load tập tin dữ liệu off-line cho phim dự định trình chiếu

o Khởi động “Windows Media Player” (và chọn phim trình chiếu)

Quá trình chiếu phim: khi nhấn nút “play” từ phần mềm “Windows Media Player” thì lúc này phần mềm chiếu phim “bắt” tín hiệu này và thực hiện tuần tự lấy

dữ liệu off-line cho ghế và hiệu ứng gửi xuống tủ điều khiển, khi đó ghế và bộ phận hiệu ứng sẽ thực hiệu theo dữ liệu này

Kết thúc đoạn phim cũng như kết thúc các dữ liệu trong file off-line thì phầm mềm gửi tín hiệu xuống tủ điều khiển để hạ ghế xuống thấp nhất cho khách rời khỏi ghế và chuẩn bị cho lần chiếu tiếp theo tuần tự như trên

Hình 2.5 - Quy trình chiếu phim 3D

2.6 ng dụng của robot song song tripod cho ghế tạo cảm gi c 3D

Như đã phân tích ở trên việc lựa chọn và thiết kế được hệ thống ghế ngồi tạo cảm giác 3D là một trong những yếu tố có thể nội địa hoá cao và làm cho giá thành của hệ thống chiếu phim giảm đáng kể vì vậy việc vận hành ghế ngồi xem phim cần

có sự ổn định và bền, an toàn và hiệu quả Do đó học viên muốn sử dụng kiến thức

về Robotics của mình để tìm hiểu và triển khai ứng dụng Tripod robot vào trong ứng dụng xem phim này Vì hệ thống robot song song tripod có khả năng đáp ứng được các đòi hỏi chuyển động của hệ thống chiếu phim 3D cho chuyển động 3D: rung, lắc, lên xuống theo chuyển động của phim, tạo cảm giác thật cho người xem

Nghiên cứu về robot song song cũng được các nhà nghiên cứu trong nước quan tâm trong lĩnh vực chính xác cao Cụ thể, Sở Khoa Học và Công Nghệ TP.HCM đã cấp kinh phí cho đề tài nghiên cứu Robot song song độ chính xác cao –

sử dụng linear motor của Chủ Nhiệm Đề tài PGS.TS Lê Hoài Quốc, bên cạnh đó còn thông qua một số đề tài nghiên cứu làm luận văn tốt nghiệp của sinh viên Đại học và Cao học ở các trường đại học trong toàn quốc Tuy nhiên các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào nghiên cứu lý thuyết để nâng cao độ chính xác và tính đáp ứng nhanh cho robot song song

Nhận thấy các hệ thống chiếu phim 3D ứng dụng robot song song tripod ở Việt Nam là có nhu cầu và có đặc tính yêu cầu kỹ thuật không đòi hỏi độ chính xác cao Chủ yếu các hệ thống này tái tạo việc nhún lên xuống của một chuyển động và nghiêng lắc trong phòng tối kết hợp với ánh sáng và âm thanh ngoài ra trong phim hình ảnh dao động cũng tương đối của vật thể để tạo ra một chuyển động gần tương

tự nhằm tạo cảm giác cho người xem phim có cảm giác như mình đang trải nghiệm thật Do đó việc sai số có thể chấp nhận là khá lớn so với các yêu cấu khác như gia công cắt gọt

Trong luận văn này em tập trung ứng dụng kiến thức mình đã học để có ý tưởng thiết kế và điều khiển được một hệ thống robot song song tripod phục vụ cho

ngành giải trí của Việt Nam với các tiêu chí và mục tiêu ban đầu như sau:

o Tìm hiểu và phân các cụm chức năng trong hệ thống tổng thể và tìm cách giải quyết cho từng cụm chức năng chi tiết

o Lên kế hoạch để có thể hoàn thiện hệ thống chiếu phim 3D do Việt Nam sản xuất

o Tập trung thiết kế chế tạo, cơ khí, lựa chọn động cơ, và điều khiển ghế dạng tripod ứng dụng cho xem phim 3D, cho loại ghế 2 người ngồi xem bao gồm phần cứng cũng như phần mềm để tiết kiệm ngoại tệ nhập cho các thết bị cũng như phần mềm này

o Phát triển luật điều khiển Fuzzy-PID cho ghế xem phim 3D để có đáp ứng tốt hơn Vì thông thường các động cơ tạo dịch chuyển của ghế xem phim được điều khiển từ mạch lái cầu công suất DC Thông thường bộ điều khiển cho động cơ DC Servo của ghế được thiết kế bằng hệ thống relay (điều khiển on/off và đảo chiều) nên xảy ra 3 trạng thái điều khiển sau:

 Khi so sánh giữa dữ liệu thực tế của chân hồi tiếp về với dữ liệu trên máy tính bằng nhau thì dừng động cơ

 Khi so sánh giữa dữ liệu thực tế của chân hồi tiếp về với dữ liệu trên máy tính là thiếu theo chiều “+” (quy ước là hướng lên) thì khởi động động cơ chạy theo chiều “+”

 Khi so sánh giữa dữ liệu thực tế của chân hồi tiếp về với dữ liệu trên máy tính là thiếu theo chiều “-” (quy ước là hướng xuống) thì khởi động động cơ chạy theo chiều “-”

Với 3 trạng thái trên cùng với sự thay đổi của tải sẽ gây ra hiện tượng giật, gây hư hỏng cho hộp số và động cơ Để điều khiển động cơ DC Servo, giải thuật Fuzzy-PID làm cho đáp ứng đầu ra của động cơ nhanh hơn, êm hơn, khắc phục được những nhược điểm trên đây

CHƯƠNG III:

NGHIÊN C U, THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN VÀ CHẾ TẠO GHẾ

XEM PHIM 3D NG DỤNG TRIPOD SONG SONG

3.1 Mục tiêu

Trong rất nhiều ứng dụng của tripod song song thì ứng dụng cho hệ thống mô phỏng game được coi là mới mẻ và đang thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà kinh doanh trong lĩnh vực giải trí Việt Nam hiện nay Để đáp ứng được nhu cầu

đó, mục tiêu của chương này là “nghiên cứu , tính toán, thiết kế ghế xem phim 3D phục vụ cho hệ chiếu phim”

3.2 Phạm vi nghiên cứu đề tài

Với mục tiêu được đặt ra như trên có rất nhiều mô hình cơ cấu cơ khí có thể đáp ứng được nhưng ở đây trong chương này chỉ được tập trung vào một mô hình

mô hình cơ khí cụ thể bao gồm hai đế, một cái động và một cái tĩnh (là nền), liên kết với nhau bằng 3 chân, trong đó mỗi chân thanh trượt nối với nhau bằng khớp quay Chân sẽ nối với đế bằng khớp quay và nối với bàn di động bằng khớp cầu

Hình 3.1 Mô hình Tripod sử dụng thanh trượt

Trình tự công việc thực hiện cụ thể để đạt được mục tiêu trên bao gồm các phần sau:

 Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của Tripod

 Phân tích phương pháp giải và xây dựng chương trình tìm kết quả bài toán ngược của cơ cấu làm cơ sở chính cho điều khiển

 Phân tích phương pháp giải và xây dựng chương trình tìm kết quả của bài toán thuận

 Phân tích tìm phương pháp xây dựng vùng không gian làm việc và phân tích các thông số cơ cấu ảnh hưởng đến vùng không gian

 Phân tích thiết kế và chọn các cơ cấu cơ khí lắp ráp Tripod phù hợp với yêu cầu làm việc

 Tính toán lựa chọn động cơ, hộp giảm tốc Tripod

 Xây dựng chương trình điều khiển hoàn chỉnh giao tiếp dễ dàng với người

sử dụng, chuyển đổi các dữ liệu điều khiển và mô phỏng hoạt động của cơ cấu

3.3 Phân t ch bài to n động học

3.3.1 Giới thiệu

Khi phân tích bất cứ một kết cấu cơ khí nào thì vấn đề phân tích bài toán động học luôn được đặt ra đầu tiên Bởi lẽ bài toán động học cho ta biết được kết cấu hoạt động như thế nào, các thông số kết cấu, các quan hệ vị trí về động học ảnh hưởng như thế nào đến sự duy chuyển của cơ cấu, vùng không gian mà kết cấu làm việc Khi một trong những giá trị các thông số này thay đổi thì quan hệ về vị trí của đế trên và đế dưới, vùng hoạt động của đế trên cũng thay đổi theo Bài toán động học được chia ra làm ba bài toán nhỏ: bài toán động học nghịch, bài toán động học thuận và bài toán vùng không gian làm việc Nhưng trước khi bước vào bài toán động học nghịch thì việc trước tiên là xác định số bậc tự do của cơ cấu và cụ thể phân tích bài toán động học được chia ra thành các vấn đề sau:

3.3.2 Xác định số bậc tự do của cơ cấu:

Số bậc tự do đặc trưng cho số khả năng chuyển động tương đối của các thành phần trong cơ cấu Vì thế phân tích số bậc tự do có thể làm rõ hơn các hoạt động của cơ cấu có thể thực hiện Với Tripod số khớp và loại khớp cần được chọn đảm bảo số bậc tự do là 3

Từ cơ cấu lựa chọn như hình 3.1 Với mục tiêu được đặt ra như trên thì có rất nhiều mô hình cơ cấu cơ khí có thể đáp ứng được, nhưng ở đây luận văn chỉ được tập trung vào một mô hình cơ khí cụ thể bao gồm một giá di động và một giá cố định, liên kết với nhau bằng 3 chân, trong đó mỗi chân gồm thanh trượt đai bi kết nối với giá di động bằng khớp cầu quay 2 bậc tự do, chân sẽ nối với giá cố định bằng khớp xoay 1 bậc tự do như hình thì ta có cấu trúc các khớp như sau:

Hình 3.2- Cấu trúc các khớp và thanh trượt của tripod (l1, l2, l3 là tịnh tiến được)

Xác định số bậc tự do của tripod sử dụng công thức:

1

j i i



với:

o  : số bậc tự do của khâu trong không gian(=6)

o n : tổng số khâu trơn, bao gồm: 2 đế + 3 thanh trượt + 3 trục = 8 khâu

o j : tổng số khớp trong cơ cấu gồm: 3 khớp quay + 3 khớp cầu + 3 khớp trượt = 9

o f i : tổng số bậc tự do của các khớp trong cơ cấu: 3 khớp quay 3 khớp cầu và 3 khớp trượt

Hình 3.3 Ghế của hệ thống đã chế tạo xong

Như đã đề xuất nghiên cứu và thiết kế hệ thống ghế hỗ trợ chiếu phim 3D với sai số và đáp ứng cho phép trong ngành giải trí, trong phần này trình bày các

thông số cơ bản của ghế xem phim tạo cảm giác 3D với chuyển động nghiêng lắc,

lên xuống dành cho 2 người xem Những thông số sau đây của mô hình được đề xuất sau khi tham khảo từ một số bộ chiếu phim 3D của nước ngoài để làm số liệu ban đầu cho việc thiết kế, đó là:

o Mô hình ghế xem phim bao gồm 3 cụm chân có khả năng tạo ra chuyển động 3D

o Mô hình có khả năng hoạt động với tải trọng tối đa là 220kg

o Mô hình có tấm cố định rộng 900mm, tấm di động rộng 800mm, cao 650mm

o Tấm di động có tốc độ lớn nhất là: 0.03m/s

o Khoảng cách di chuyển song song lớn nhất của tấm di động là: 0,24cm

o Góc nghiêng lớn nhất của tấm di động là +/-140

o Mô hình có khả năng chạy off-line (những chuyển động này được chạy theo song song với đoạn film trình chiếu)

Hình 3.4- Chọn hệ trục toạ độ cho ghế xem phim

Ta đặt các hệ toạ độ cho ghế như hình 3.4: O và P là trọng tâm hai tam giác

A1A2A3, B1B2B3, b là cạnh của tam giác

o O(x0,y0,z0): Hệ cố định

o P(x,y,z): Hệ toạ độ gắn liền với bàn máy di động

o Ai(xi,yi,zi) (i = 1,2,3): Hệ động gắn với chân thứ i Trong đó trục xi  A Oi

và trục zi cùng phương với z0

Sử dụng các ký hiệu:

o RP: Ma trận cosin chỉ hướng của hệ P(x,y,z) so với hệ cố định O(x0,y0,z0)

o Ri: Ma trận cosin chỉ hướng của hệ Ai(xi,yi,zi) so với hệ cố định O(x0,y0,z0)

o P: Vector đại số chứa toạ độ điểm P trên hệ cố định O(x0,y0,z0)

o Ai: Vector đại số chứa toạ độ điểm Ai trên hệ cố định O(x0,y0,z0)

o Bi: Vector đại số chứa toạ độ điểm Bi trên hệ cố định O(x0,y0,z0)

B : Vector đại số chứa toạ độ điểm Bi trên hệ cố định Ai(xi,yi,zi)

Các ma trận cosin chỉ hướng được xác định như sau:

Ma trận cosin chỉ hướng RP được xác định bởi phép quay liên tiếp: quay quanh Z một góc, sau đó quay quanh Y một góc , sau đó quay quanh X một góc :

cos cos (cos sin sin sin cos ) (sin sin cos sin cos )

sin cos (cos cos sin sin sin ) (sin sin cos cos sin )

Bài toán động học ngược:

Đây là bài toán khi biết vị trí của giá di động (hay quy luật chuyển động) ta

sẽ biết được các góc chuyển động α,β,γ

Vị trí điểm Bi trên hệ cố định có thể biểu diễn như sau:

OB i OA iA B i i (i = 1,2,3) (3.3)

và OB i OPPB i (i = 1,2,3) (3.4)

từ 3.3 và 3.4 ta có:

OA iA B i i OPPB i (i = 1,2,3) (3.5) hay có thể biểu diễn:

Bài toán động học thuận:

Đây là bài toán khi biết được các góc chuyển động ta sẽ biết được vị trí của giá di động (hay quy luật chuyển động)

Từ công thức (3.7) ta sẽ tìm được toạ độ điểm Bi (trong hệ toạ độ O) như sau:

.

i

i i i i

Từ hệ (3.9) ta xác định toạ độ điểm Bi theo θi (i = 1,2,3)

Vì B1B2B3 là tam giác đều cạnh b nên ta có:

Tính F0 và J0 và thực hiện phép lặp như sau:

Tính giá trị của  theo biểu thức:

Theo (3.9), ta tìm được toạ độ điểm Bi

Có toạ độ ba điểm B1, B2, B3 ta sẽ tìm được toạ độ điểm P_ tâm của hình tam giác và phương của đế di động

3.4 Tính toán và lựa chọn kết cấu

3.4.1 Tính chọn động cơ:

Tỉ số truyền càng lớn thì càng dễ điều khiển nhưng đòi hỏi động cơ phải có

số vòng quay lớn theo Vận tốc chuyển động song song của ghế: v = 0.03m/s, khối

lượng tải trọng mc = 120kg (tổng khối lượng đế 220kg nhưng đã bù tĩnh đối trọng

o Mô men quán tính quy về trục động cơ được tính như sau:

Gọi Jr là mô men quán tính của các chuyển động quay quy đổi về trục

( là hiệu suất của hộp số)

Công suất cần thiết của động cơ:

P c M c.0,57.209,33 119,32( ) W (3.21)

Vậy chọn động cơ có công suất 120(W) như hình 3.5

Hình 3.5 - Động cơ DC Servo 120W của hãng SANYO DENKI

3.4.2 Lựa chọn hộp giảm tốc:

Hộp giảm tốc gắn vào chân Tripod tại khớp quay

o Chọn hộp giảm tốc trục vít bánh vít có 2 trục ra vì: làm việc êm, có tính tự hãm, 2 trục ra tạo được sự cân bằng cho chân Tripod

o Chọn hộp giảm tốc có tỉ số truyền 1:60 , của hãng Harmonic với các thông số

o Làm việc êm, tỉ số truyền ổn định

o Độ phân giải: 500 xung/vòng

o Pha đầu ra: A,-A,B,-B và Z,-Z

o Loại ngõ ra: Line driver output

o Tần số đáp ứng: 100KHz

Hình 3.7 - Encoder hãng Omron

3.4.4 Tính toán thiết kế trục chốt:

o Chọn trục hình

o Vật liệu chế tạo trục: thép 45 với b 650 N/mm2

o Chọn sơ bộ chiều dài trục 130 mm

Với những thông số của robot Tripod là ghế xem phim dành cho 2 người với tổng trọng lượng tối đa khi nâng là 220kg thì lực tác dụng lên trục là Fr=8,0318 (kN), Fa = 1,94 (kN) Để đơn giản tính toán ta vẽ lại trục như hình 3.4 Với C là điểm lắp ổ nhào, A và B là nơi lắp trục ổ nhào vào ụ đỡ trục

Momen tại C: MC = FAz.130/2 = 261,03 (kNmm)

dC =

 

30,1

Kiểm nghiệm trục về độ bền tĩnh (khi quá tải đột ngột):

Trục phải thỏa mãn điều kiện tĩnh :

T d

Giá trị ứng suất cho phép khi quá tải:

Vậy trục thoả điều kiện bền tĩnh

3.5 Chế tạo thử nghiệm ghế xem phim tạo cảm giác 3D

Sau đây là mô hình ghế xem phim tạo cảm giác 3D được thiết kế trên phần mềm SolidWorks và chế tạo cơ khí

Hình 3.10 - Ghế được thiết kế trên phần mềm SolidWorks

Hình 3.11 - Ghế xem phim tạo cảm giác 3D được chế tạo hoàn chỉnh

1 – Thanh U Ngoài ; 2 – Bu lông ; 3 – Đế cố định bulong ;

Hình 3.12 - Thanh trượt của ghế tripod

Hình 3.13 - Thanh U Ngoài

Hình 3.14 - Thanh U Trong

Hình 3.15 - Thanh V

Hình 3.16 - Rulo trượt

Hình 3.17 - Khung đế

Hình 3.18 - Đế gá động cơ, hộp số

Hình 3.19 - Tai ổ bi cốt dưới

Hình 3.20 - Tấm cố định trục rulo

Hình 3.21 - Đế cố định tai ổ bi cốt dưới

Hình 3.22a - Cốt treo bánh răng dẫn động

Hình 3.22b- Thanh treo đối trọng

Hình vẽ 3D của một số hạng mục ch nh của tripod

Hình 3.23 - Hình U ngoài của thanh trượt chân tripod

Hình 3.24 - Hình thanh trượt bên trong của thanh trượt

Hình 3.25 - Hình 3D con lăn của thanh trượt Tripod