Tài liệu Nghiên cứu thiết kế và điều khiển robot giải trí dạng người

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -.-._.-.- PHẠM UYÊN PHƯƠNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT GIẢI TRÍ DẠNG NGƯỜI STUDY ON DESIGN AND CONTROL OF ENTERTAINMENT HUMANOID ROBOT Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ Mã số: 60 52 01 14 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2017 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Nguyễn Tấn Tiến ........................ Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Trần Việt Hồng .......................................... Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Võ Hoàng Duy ........................................... Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày 21 tháng 12 năm 2017. Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1. PGS.TS. Võ Tường Quân (Chủ tịch hội đồng) .................................... 2. TS. Lê Đức Hạnh (Thư ký) ................................................................... 3. TS. Trần Việt Hồng (Phản biện 1) ........................................................ 4. TS. Võ Hoàng Duy (Phản Biện 2) ........................................................ 5. TS. Ngô Hà Quang Thịnh (Ủy viên) .................................................... Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: PHẠM UYÊN PHƯƠNG MSHV: 1570353 Ngày, tháng, năm sinh: 07/05/1992 Nơi sinh: TP. HCM Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ điện tử Mã số : 60520114 I. TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT GIẢI TRÍ DẠNG NGƯỜI (STUDY ON DESIGN AND CONTROL OF ENTERTAINMENT HUMANOID ROBOT) II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu tổng quan robot dạng người loại nhỏ - Thiết kế và điều khiển robot sử dụng Kinect - Thực nghiệm III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 16/01/2017 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03/12/2017 V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS. NGUYỄN TẤN TIẾN Tp. HCM, ngày 20 tháng 11 năm 2017. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) TRƯỞNG KHOA….……… (Họ tên và chữ ký) Lời Cám Ơn LỜI CÁM ƠN Đầu tiên, tôi xin cám ơn gia đình, những người đã hỗ trợ về tài chính và tinh thần để tôi có thể tiếp tục công việc học sau Đại Học. Tiếp theo, tôi xin cám ơn PGS. TS Nguyễn Tấn Tiến, người Thầy đã cho tôi những lời khuyên và động lực để tôi có thể tiếp tục việc học sau khi kết thúc Đại Học. Quãng thời gian từ khi bắt đầu chương trình học, Thầy luôn là người hỏi han, quan tâm và giúp đỡ tôi trong hành trình mà tôi đã chọn để tôi có thể hoàn thành tốt công việc của mình. Nhờ có những lời khuyên và định hướng của Thầy mà tôi hiểu rõ điểm mạnh yếu của bản thân, giúp tôi có thể hoàn thiện khả năng và kỹ năng của mình hơn. Tôi cũng xin cảm ơn các bạn trong Hitech Mechatronics Lab, những người đã cùng tôi trao đổi và chia sẽ kinh nghiệm trong thời gian làm luận văn tại Lab. Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn đến em Võ Văn Tân Nhật, là thành viên của Hitech Mechatronics Lab đã giúp tôi rất nhiều từ khi bắt đầu làm luận văn đến khi hoàn thành. Cuối cùng, tôi xin cám ơn những người bạn từ thời Đại Học, những người bạn trong khóa Cao học đã cùng tôi trao đổi kiến thức để hoàn thiện luận văn. Tôi xin gửi lời cám ơn đến Cty CP Giang Minh Hà, là nơi đã hỗ trợ thiết bị máy móc để tôi hoàn thành một phần luận văn của mình. Tôi cũng xin cám ơn những Thầy Cô ở trường Bách Khoa TPHCM đã mang đến cho tôi thêm nhiều kiến thức hơn nữa trong hành trình mà tôi theo đuổi. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 11 năm 2017 Phạm Uyên Phương Tóm Tắt Luận Văn ABSTRACT In this thesis, is describing some design options for the humanoid form. The next step is to go into the selection and design suitable motor in order to controling robot. After discussing the important parts to design a robot, is the general description about Kinect to suggest option for closed-loop control of interaction between human, Kinect and robot. The objective of this thesis is to design a small, 300mm tall humanoid robot, consisting of 17 degrees of freedom, including a degree of rotation of the head, 3 degrees of each hand and 5 degrees of each foot, performing human gesture simulations through Kinect. The result of this thesis is to control a humanoid robot, how humans interact with robot through Kinect and result of controlled parameter. TÓM TẮT LUẬN VĂN Trong luận văn này, là mô tả các phương án thiết kế đối với dạng humanoid. Tiếp theo đó là đi sâu vào phần lựa chọn và thiết kế động cơ phù hợp để điều khiển robot. Sau phần đề cập những phần quan trọng để thiết kế một robot, là mô tả tổng quan về Kinect qua đó để đề xuất phương án đối với việc điều khiển vòng kín tương tác giữa người biểu diễn, Kinect và robot. Mục tiêu của luận văn này là thiết kế một robot dạng người kích thước nhỏ, cao khoảng 300 mm, gồm 17 bậc tự do bao gồm 1 bậc điều khiển quay đầu, mỗi tay 3 bậc và mỗi chân 5 bậc, thực hiện tác vụ bắt chước cử chỉ của người thông qua Kinect. Kết quả của luận văn là điều khiển được robot, cách tương tác giữa người với robot thông qua Kinect và kết quả thông số điều khiển. I Lời Cam Đoan LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn với đề tài “ Nghiên cứu thiết kế và điều khiển robot giải trí dạng người” là công trình nghiên cứu của tôi, không sao chép của bất kì ai. Kết quả được nêu trong luận văn là trung thực. Tôi xin chịu mọi trách nhiệm về công trình nghiên cứu của bản thân. Người cam đoan Phạm Uyên Phương II Mục Lục MỤC LỤC TÓM TẮT LUẬN VĂN ..................................................................................... I LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. II MỤC LỤC ....................................................................................................... III DANH SÁCH HÌNH VẼ .................................................................................V DANH SÁCH BẢNG BIỂU ........................................................................ VIII CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ........................................................................... 1 1.1 Robot dạng người ..........................................................................................1 1.2 Cách điều khiển bắt chước cử chỉ của con người ..........................................6 1.3 Mục tiêu của luận văn ....................................................................................6 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ .........................................................7 2.1 Phương án thiết kế cánh tay ...........................................................................7 2.2 Phương án thiết kế chân ................................................................................8 2.3 Phương án thiết kế đầu...................................................................................9 2.4 Lựa chọn cơ cấu chấp hành............................................................................9 2.5 Lựa chọn phương án để robot bắt chước cử chỉ của người ........................ 11 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ROBOT ................................................................ 13 3.1 MÔ HÌNH HÓA ........................................................................................ 13 3.1.1 Động học .................................................................................................. 13 3.1.2 Nghiên cứu Kinect ................................................................................... 19 3.2 THIẾT KẾ CƠ KHÍ ................................................................................. 29 3.2.1 Thiết kế động cơ Servo ............................................................................ 29 3.2.2 Thiết kế tổng thể cho robot ...................................................................... 32 3.2.3 Thiết kế từng bộ phận cho robot .............................................................. 34 3.3 THIẾT KẾ ĐIỆN ...................................................................................... 36 3.3.1 Giao tiếp giữa động cơ và máy tính ......................................................... 36 III Mục Lục 3.3.2 Thiết kế mạch điện trung gian ................................................................. 37 3.3.3 Thiết kế mạch điện động cơ ..................................................................... 38 3.4 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN ........................................................................ 41 3.4.1 Xác định hàm truyền của động cơ Servo ................................................. 41 3.4.2 Thiết kế bộ điều khiển.............................................................................. 42 3.4.3 Thiết lập gói điều khiển cho robot ........................................................... 43 3.4.4 Điều khiển truyền dữ liệu giữa người và robot........................................ 46 CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ ........................................... 47 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN .............................................................................. 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 59 PHỤ LỤC A ..................................................................................................... 61 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ............................................................................ 72 IV Danh Sách Hình Ảnh DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1.1: Robot dạng người thuộc loại legged robot ...................................................1 Hình 1.2: Cấu trúc của các humanoid robot kích thước nhỏ dùng cho nghiên cứu .....2 Hình 1.3: Humanoid robots nhỏ tham gia một số hoạt động giải trí ............................3 Hình 1.4: Thực nghiệm giải thuật điều khiển trên sản phẩm Kondo KHR-3HV .........3 Hình 1.15: Cấu trúc của các humanoid robot kích thước nhỏ dùng cho giải trí ..........4 Hình 1.6: Robot dạng người của 3T Robotics Group ...................................................5 Hình 1.7: Robot HUBOT của DCSELAB ....................................................................5 Hình 1.8: H-Robo-01 ĐH Nguyễn Tất Thành ..............................................................5 Hình 1.9: Một số sản phẩm robot dạng người của công ty TOS ..................................5 Hình 2.1: Phương án thiết kế tay ..................................................................................7 Hình 2.2: Phương án thiết kế chân ..............................................................................8 Hình 2.3: Các động cơ RC Servo kết nối với mạch điều khiển..................................10 Hình 2.4: Một động cơ DC Servo với kiểu dáng thon dài ..........................................10 Hình 2.5: Động cơ Dynamixel kết nối theo kiểu daisy chain.....................................11 Hình 2.6: Phương pháp tạo chuyển động sử dụng GUI dạng kéo thả ........................11 Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lí của humanoid robot được thiết kế ....................................12 Hình 3.1: Hệ tọa độ đặt theo quy tắc Denavit – Hartenberg của tay robot ................13 Hình 3.2: Hệ tọa độ đặt theo quy tắc Denavit – Hartenberg của chân robot ..............15 Hình 3.3: Kinect.........................................................................................................20 Hình 3.4: Cấu tạo bên trong Kinect v1 .......................................................................21 Hình 3.5: Depth distance ............................................................................................21 Hình 3.6: Field of view ...............................................................................................21 Hình 3.7: Tạo giá trị độ sâu bằng công nghệ Light Coding .......................................22 Hình 3.8: Hệ thống cảm biến PrimeSense ..................................................................22 Hình 3.9: Quá trình tạo ra mô hình khung xương ......................................................23 Hình 3.10: Sơ đồ khớp và hệ tọa độ của Kinect .........................................................23 Hình 3.11: Skeleton tracking ......................................................................................24 Hình 3.12: Creator 5720T HUNO của Robobuilder ..................................................24 Hình 3.13: Tương ứng các điểm trên Kinect và trên robot ........................................25 V Danh Sách Hình Ảnh Hình 3.14: Các hệ trục tọa độ .....................................................................................25 Hình 3.15: Các vector chỉ phương cần thiết cho việc tính toán góc...........................26 Hình 3.16: Tính toán góc cho tay phải .......................................................................26 Hình 3.17: Tính toán góc cho tay trái .........................................................................27 Hình 3.18: Tính toán góc cho hai chân .......................................................................28 Hình 3.19: Phương pháp cân bằng cho robot .............................................................29 Hình 3.20: Cấu tạo của động cơ Servo được thiết kế .................................................31 Hình 3.21: Kích thước tổng quan của động cơ Servo ................................................32 Hình 3.22: Các phương án ráp khớp nối giữa các động cơ ........................................32 Hình 3.23: Tỷ lệ kích thước các phần của cơ thể người .............................................33 Hình 3.24: Sơ đồ kích thước thiết kế ..........................................................................34 Hình 3.25: Cụm tay của robot ....................................................................................34 Hình 3.26: Cụm chân của robot ..................................................................................35 Hình 3.27: Thiết kế 3D tổng thể của Robot ................................................................35 Hình 3.28: Hình ảnh thực của robot ...........................................................................36 Hình 3.29: Multi drop-out UART...............................................................................37 Hình 3.30: Sơ đồ nguyên lý mạch điện điều khiển trung gian ...................................38 Hình 3.31: Sơ đồ khối mạch điện điều khiển động cơ ...............................................38 Hình 3.32: Khối xử lý .................................................................................................39 Hình 3.33: Khối điều khiển động cơ ..........................................................................39 Hình 3.34: Khối nguồn ...............................................................................................40 Hình 3.35: Cảm biến RDC50 .....................................................................................40 Hình 3.36: Đặc tính tuyến tính của cảm biến RDC501015A .....................................41 Hình 3.37: Dữ liệu đo được từ mô hình thực nghiệm ................................................41 Hình 3.38: Giả sử hàm truyền có dạng bậc 3 .............................................................42 Hình 3.39: Mô phỏng đáp ứng vòng kín khi chưa có bộ điều khiển ..........................42 Hình 3.40: Sơ đồ điều khiển PID................................................................................43 Hình 3.41: Mô phỏng đáp ứng của động cơ với hệ số bộ điều khiển .........................44 Hình 3.42: Mô hình robot trong môi trường Simmechanics ......................................44 Hình 3.43: Kết quả mô phỏng bám quỹ đạo hằng số .................................................45 Hình 3.44: Kết quả mô phỏng bám quỹ đạo là hàm tuyến tính ..................................45 VI Danh Sách Hình Ảnh Hình 3.45: Kết quả mô phỏng bám quỹ đạo hình sin .................................................45 Hình 3.46: Kết quả mô phỏng bám quỹ đạo là hàm dốc tuần hoàn ...........................46 Hình 3.47: Không gian làm việc của tay robot ...........................................................46 Hình 3.48: Mô hình giao tiếp truyền dữ liệu tổng thể ................................................46 Hình 4.1: Thiết bị kiểm tra gắn lên cánh tay ..............................................................47 Hình 4.2: Thí nghiệm ở khoảng cách 1m ...................................................................48 Hình 4.3: Thí nghiệm ở khoảng cách 2m ...................................................................48 Hình 4.4: Thí nghiệm ở khoảng cách 3m ...................................................................48 Hình 4.5: Thí nghiệm có nhấc vai ..............................................................................49 Hình 4.6: Thí nghiệm không nhấc vai ........................................................................49 Hình 4.7: Mô hình thực của robot ..............................................................................50 Hình 4.8: Vị trí mã ID cho robot ................................................................................50 Hình 4.9: Mô phỏng Bộ PID của động cơ ID16 .........................................................52 Hình 4.10: Một số ảnh thực nghiệm truyền dữ liệu từ máy tính đến robot ................53 Hình 4.11: Đọc giá trị góc từ Arduino cho động cơ ID12..........................................53 Hình 4.12: Giao diện điều khiển robot từ Kinect ...................................................... 54 Hình 4.13: Các góc mở tương ứng với giao diện điều khiển .....................................54 Hình 4.14: Giá trị góc Kinect của Shoulder ID13 ......................................................55 Hình 4.15: Giá trị góc Kinect của Shoulder ID14 ......................................................55 Hình 4.16: Giá trị góc Kinect của Elbow ID15 ..........................................................56 Hình 4.17: Giá trị góc Kinect của Hip ID5.................................................................56 Hình 4.18: Giá trị góc Kinect của Hip ID6.................................................................56 Hình 4.19: Giá trị góc Kinect của Knee ID7 ..............................................................57 VII Danh Sách Bảng Biểu DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Bảng thông số D – H của tay robot ............................................................13 Bảng 3.2: Bảng thông số D – H của chân robot .........................................................16 Bảng 3.3: So sánh giữa Kinect v1 và v2 .....................................................................20 Bảng 3.4: Thông số bộ bánh răng ...............................................................................30 Bảng 3.5: Các thông số của động cơ DC RF-130CH-12250 ......................................31 Bảng 3.6: Kích thước ước lượng ban đầu cho robot...................................................33 Bảng 3.7: Đánh giá kích thước sau thiết kế và kích thước ban đầu ...........................36 Bảng 4.1: Mã và bộ hệ số PID của mỗi động cơ .......................................................46 Bảng 4.2: Giá trị góc điều khiển của robot ................................................................47 VIII Chương 1: Tổng Quan CHƯƠNG 1: TỒNG QUAN 1.1. Robot dạng người Robot dạng người (còn gọi là humanoid robots) đang là đề tài nghiên cứu thú vị, thu hút nhiều sự quan tâm của các trường đại học, trung tâm nghiên cứu cũng như các doanh nghiệp kỹ thuật trên thế giới. Sở dĩ như vậy vì robot dạng người thuộc loại legged robot, di chuyển bằng hai chân, do đó có khả năng thực hiện những nhiệm vụ ở những địa hình mà wheel robot không thực hiện được. Đồng thời con người luôn khao khát tạo ra một loại robot có thể hòa nhập vào cuộc sống của mình, thực hiện các công việc của con người, tuy nhiên tất cả các dụng cụ và môi trường sống đều được thiết kế cho con người do đó những wheel robot hay industrial robot,… đều không thể sử dụng chúng được, thay vì tạo ra những dụng cụ chuyên biệt cho các loại robot trên thì tạo ra một robot giống người để sử dụng chúng sẽ có lợi hơn. Việc nghiên cứu robot dạng người chỉ thực sự đạt được những kết quả đáng kể từ nửa sau thế kỷ 20, khi sự hỗ trợ từ máy tính điện tử, cùng với sự phát triển của công nghệ cảm biến, định vị, truyền động…đem lại sự tiến bộ to lớn trong lĩnh vực robot. Ngày 8/11/2011, robot ASIMO của Honda được xem là humanoid robots tiên tiến nhất thế giới. ASIMO có kích thước tương đương một đứa trẻ, cao 1300 mm và nặng 54 kg, có 26 bậc tự do. ASIMO có thể đi lên xuống cầu thang, đi và rẽ trơn tru trên mặt phẳng, thậm chí có thể chạy với tốc độ tương đương con người, 6 km/h. ASIMO được thiết kế rất thân thiện, có vóc dáng của một đứa trẻ, có thể nhận diện giọng nói đơn giản, camera trên đầu giúp ASIMO nhận diện vật thể để tương tác như đá bóng, vẽ bản đồ và di chuyển tránh vật cản. Có thể nói ASIMO là thành công lớn nhất của Honda trong lĩnh vực robot dạng người cho đến nay. Một số legged robot khác như HRP-4 của Kawada Industries cao 150cm, nặng 39kg, có 34 bậc tự do; Nao của Aldebaran Robotics cao 311mm, nặng 5.4kg, có 25 bậc tự do. ASIMO HRP-4 Nao (asimo.honda.com) (www.aist.go.jp) (www.teq.com) Hình 1.1: Robot dạng người thuộc loại legged robot 1 Chương 1: Tổng Quan Cấu trúc của các humanoid robot phục vụ mục đích nghiên cứu được thể hiện ở Hình 1.2. Chúng sử dụng các động cơ Servo chất lượng cao, các cảm biến, hệ thống nhận dạng và đặc biệt là hệ điều hành giúp phát triển các ứng dụng: - Các cảm biến nội: cảm biến góc, gia tốc góc… dùng để phản hồi trạng thái của robot. - Các cảm biến ngoại và hệ thống nhận dạng: các cảm biến ngoại như camera, laser scanner dùng để xác định trạng thái của môi trường xung quanh robot và gửi giá trị đến hệ thống nhận dạng, nơi thông tin này được xử lý và phản hồi về bộ điều khiển. - Bộ điều khiển Servo và động cơ Servo: động cơ Servo là một cơ cấu chấp hành dạng module nhỏ gọn, nhận tín hiệu góc mong muốn từ bộ điều khiển Servo, điều khiển đáp ứng đầu ra bằng bộ điều khiển được tích hợp sẵn, có thể đo và phản hồi vị trí hiện tại, nhiệt độ, tải,… - Bộ điều khiển: điều khiển các hành động của humanoid robot một cách tự động sử dụng thông tin từ cảm biến ngoại, hơn nữa có thể điều khiển vòng kín (giữ cân bằng cho robot) sử dụng thông tin từ cảm biến nội và động cơ Servo. Hình 1.2: Cấu trúc của các humanoid robot kích thước nhỏ dùng cho nghiên cứu [1] Thực tế đã chứng minh rằng việc nghiên cứu humanoid robots kích thước lớn, tương đương kích thước con người, đòi hỏi sự đầu tư kinh phí rất lớn. Tuy nhiên, nhờ vào sự phát triển của khoa học công nghệ hiện tại: các vi điều khiển tần số hoạt động lớn có thể điều khiển thời gian thực, động cơ servo thu gọn có kích thước nhỏ giá thành thấp, đa dạng các loại cảm biến mới được thương mại hóa đã cho phép chế tạo được các humanoid robots kích thước nhỏ, mở ra cơ hội tiếp cận lĩnh vực robot dạng người với nguồn kinh phí thấp. Humanoid robots kích thước nhỏ vừa có thể phục vụ mục đích giải trí, vừa có thể phục vụ mục đích học thuật. Với mục đích giải trí, không khó để bắt gặp các robot dạng người kích thước nhỏ thực hiện các động tác vui nhộn, thực hiện group dancing tại các triển lãm robot quốc tế (Hình 1.3b), thậm chí có cả một giải bóng đá quốc tế giành cho robot dạng người kích thước nhỏ được tổ chức hàng năm mang tên RoboCup (Hình 2 Chương 1: Tổng Quan 1.3a). Với mục đích học thuật, robot dạng người kích thước nhỏ là nơi để các nhà nghiên cứu thực nghiệm các giải thuật chuyển động cho robot. Ví dụ như tác giả Masahiko Yamaguchi đã thực nghiệm thành công giải thuật đi thẳng chân (Hình 1.4a), đi thăng bằng trên dây (Hình 1.4b), đi xe đạp bằng sản phẩm Kondo KHR-3HV robot. Robot này chỉ cao khoảng 400 mm và có 17 bậc tự do. a) Robocup b) 100 Robi Synchronized Dance (www.robocup2015.org) (www.youtube.com) Hình 1.3: Humanoid robots nhỏ tham gia một số hoạt động giải trí a) Thực nghiệm đi thẳng chân b) Thực nghiệm đi trên dây Hình 1.4: Thực nghiệm giải thuật điều khiển trên sản phẩm Kondo KHR-3HV (www.gizmag.com) Hiện nay trên thế giới có nhiều robot dạng người kích thước nhỏ (hobby humanoid robots) rất tiên tiến đã được thương mại hóa với giá thành thấp, hai đối tượng đáng xem xét là Bioloid của Robotis và HUNO của Robobuilder. Lý do là cả hai đều dùng động cơ DC servo serial control và đều cung cấp giao diện để người dùng dễ dàng lập trình. Robobuilder cung cấp một giao diện người dùng rất thân thiện cho phép lập trình chuyển động cho robot rất dễ dàng. Giao diện còn có thể bắt chuyển động của robot và thực hiện lại chuyển động đó. Hệ thống rất linh hoạt cho phép lập trình bằng ngôn ngữ C. HUNO sử dụng động cơ DC servo mang tên wCK module, nhận tín hiệu điều khiển bằng Full duplex UART (Universal asynchronous receiver/transmitter). WCK module được thiết kế linh hoạt với nhiều dạng đầu ra, khi kết hợp với khớp nối do công ty cung 3 Chương 1: Tổng Quan cấp thì việc xây dựng robot rất dễ dàng và tiện lợi. Động cơ này sử dụng bộ điều khiển PID, có cả các chế độ điều khiển vận tốc, gia tốc và momen. Bioloid cũng tương tự HUNO như là sử dụng motor serial control và giao diện người dùng GUI. Tuy nhiên Bioloid là sự lựa chọn phổ biến hơn vì hệ thống được xây dựng dạng Lego, có thể lắp ráp nên 23 loại robot khác nhau. Robotis và Robobuilder đều hướng đến mục tiêu xây dựng robot có thể thực hiện các động tác nhanh như biểu diễn Kung Fu hay Dancing, việc điều khiển rất thuận lợi ở mức độ động học. Tuy nhiên do cảm biến góc độ phân giải thấp và không có cảm biến lực dưới bàn chân nên nếu muốn thực hiện các chuyển động động lực học thì phải hiệu chỉnh thêm cho robot. Cấu trúc của một humanoid robot phục vụ giải trí thông thường được thể hiện ở Hình 1.5, bao gồm các phần chính: - Giao diện giao tiếp người dùng: có nhiệm vụ gửi lựa chọn hành động mong muốn của người dùng đến robot, thường sử dụng phương pháp điều khiển vô tuyến như remote hồng ngoại, Bluetooth… - Motion Editor và Motion Files: Motion Editor được sử dụng để tạo các motion file bởi người dùng thông qua phần mềm dạng giao diện đồ họa người dùng (Graphic User Interface – GUI) trên máy tính. Motion File bao gồm các dữ liệu về hình dáng robot theo trình tự. - Cảm biến nội và động cơ Servo: tương tự như các humanoid robot kích thước nhỏ dùng cho nghiên cứu. - Bộ điều khiển: điều khiển các động cơ Servo bằng cách đọc các Motion File từ giao diện giao tiếp người dùng. Hơn nữa, nó có thể điều khiển vòng kín (giữ cân bằng cho robot) sử dụng hồi tiếp từ cảm biến và động cơ Servo. Hình 1.5: Cấu trúc của các humanoid robot kích thước nhỏ dùng cho giải trí [1] 4 Chương 1: Tổng Quan Ở Việt Nam, các nghiên cứu về robot dạng người còn khá hạn chế, chỉ nằm ở mức độ mới tiếp cận. Cũng đã có một vài robot dạng người được chế tạo thành công như robot dạng người của 3T Robotics Group (Hình 1.6), robot HUBOT (Hình 1.7) của phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia về điều khiển số và hệ thống (DCSELAB), hay robot H-Robo-01 của trường Đại học Nguyễn Tất Thành (Hình 1.8) nhưng đều chưa để lại ấn tượng lớn. Nổi bật nhất có thể kể đến các sản phẩm của công ty TOSY như mRobo (Hình 1.9a), DiscoRobo, robot đánh bóng bàn TOPIO (Hình 1.9b). Đây là công ty duy nhất tại Việt Nam sản xuất các robot dạng người phục vụ cho mục đích giải trí có các sản phẩm ở tầm thế giới. Ngoài ra còn có cuộc thi Dancing robot được tổ chức hằng năm tại trường đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM, khuyến khích việc thiết kế các robot dạng người kích thước nhỏ nhảy tự do trên nền nhạc. Hình 1.6: Robot dạng người của 3T Robotics Group (www.robot3t.com) Hình 1.7: Robot HUBOT của DCSELAB (www.dcselab.edu.vn) Hình 1.8: H-Robo-01 ĐH Nguyễn Tất Thành (www.ntt.edu.vn) a) mRobo b) TOPIO Hình 1.9: Một số sản phẩm robot dạng người của công ty TOSY (www.tosy.com) Qua tìm hiểu tổng quan, việc xây dựng một humanoid robot kích thước nhỏ phục vụ mục đích giải trí sẽ phù hợp với điều kiện nghiên cứu hiện tại, vì ít kinh phí và mới 5 Chương 1: Tổng Quan tiếp cận, đồng thời làm tiền đề cho các phát triển sau này như thương mại hóa hoặc cải thiện chất lượng để phục vụ nghiên cứu. 1.2. Cách điều khiển bắt chước cử chỉ của con người Việc bắt chước theo cử chỉ người là cách học nhanh cho robot dạng người để thực hiện và ghi nhớ các tác vụ, qua đó sẽ tạo sự đơn giản cho người thích tiếp cận và sử dụng robot ngay cả khi không có nền tảng hay kiến thức chuyên môn. Với sự hỗ trợ của các giao diện có sẵn như Robobuilder, người dùng có thể cài đặt một chuỗi các cử chỉ mong muốn cho robot, bằng cách tạo các góc theo một tư thế mong muốn sau đó ghép nối các tư thế lại tạo thành một hành động. Trong khi đó, sau khi sản phẩm Kinect của Microsoft ra đời, trước đó việc sử dụng các loại camera thông thường đã được quan tâm để quan sát cử chỉ của con người, nhưng có nhiều mặt hạn chế như độ phân giải, chiều sâu ảnh. Kinect ra đời phục vụ cho việc giải trí, thay thế cần chơi game bằng cách quan sát cử chỉ của con người, tạo ra môi trường chơi game linh động và thú vị hơn. Vì các đặc điểm nổi trội của Kinect so với các camera đơn thuần và giá thương mại thấp, kèm theo các bộ thư viện hỗ trợ có sẵn, Kinect đã thu hút sự quan tâm của việc bắt cử chỉ người để nghiên cứu cho robot. 1.3 Mục tiêu của luận văn Thiết kế một robot dạng người loại nhỏ: - Mục đích phục vụ giải trí - Kích thước cao khoảng 300mm - Thực hiện được các cử chỉ tay đơn giản 6 Chương 2: Phương Án Thiết Kế CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 2.1. Phương án thiết kế cánh tay Trong luận văn này, tạo chuyển động cơ bản cho cánh tay của robot bao gồm các cử chỉ giơ tay sang ngang, giơ tay lên trời, cánh tay tạo thành góc 90 độ và lắc tay. Để tạo được các chuyển động đó cần phải xem xét các cơ cấu cánh tay tương ứng với tay người. Chuyển động của con người được tạo nên bởi sự phối hợp chuyển động phức tạp của hệ cơ và xương. Các humanoid robots hiện nay dù nhiều bậc tự do đến mấy đều bị xem là quá đơn giản so với con người. Đối với việc cánh tay thể hiện cử chỉ người một cách đơn thường sử dụng ít nhất 3 bậc tự do mỗi tay [2,3] – Hình 2.1a gồm 2 bậc ở vai và 1 bậc khuỷu tay; Hình 2.1b thể hiện 4 bậc tự do mỗi cánh tay [4] gồm 3 bậc ở vai và 1 bậc khuỷu tay; Hình 2.1c thể hiện 5 bậc tự do mỗi cánh tay [5,6] gồm 3 bậc ở vai, 1 bậc khuỷu tay và 1 bậc xoay cổ tay; Hình 2.1d cũng thể hiện 5 bậc [7] nhưng bậc xoay cổ tay thể hiện cơ cấu kẹp ở bàn tay; Hình 2.1e gồm 6 bậc tự do mỗi cánh tay [8] gồm 3 bậc ở vai, 1 bậc khuỷu tay và 2 bậc xoay cổ tay; Hình 2.1f gồm 7 bậc tự do mỗi cánh tay [9,10] gồm 3 bậc ở vai, 1 bậc khuỷu tay, 2 bậc xoay cổ tay và 1 cơ cấu kẹp ở bàn tay[9] hoặc bàn tay có riêng 3 bậc tự do [10]. Z X Y a. 3 bậc tự do mỗi tay b. 4 bậc tự do mỗi tay c. 5 bậc tự do mỗi tay d. 5 bậc tự do mỗi tay e. 6 bậc tự do mỗi tay f. 7 bậc tự do mỗi tay Hình 2.1: Phương án thiết kế tay Do yêu cầu đặt ra của luận văn không quá phức tạp để thể hiện chuyển động như người nên phương án được dùng là đơn giản nhất bằng việc dùng 3 bậc tự do cho mỗi cánh tay của robot. 7 Chương 2: Phương Án Thiết Kế 2.2. Phương án thiết kế chân Để mở rộng nội dung của luận văn cần phải xem xét cả phần chân của robot, điều này cần thiết cho việc thiết kế một robot dạng người hoàn chỉnh và cũng là tiền đề để tạo chuyển động chân cho robot nếu cần thiết. Chuyển động của chân là yếu tố chính sinh ra chuyển động đi của người. Việc đánh tay trong khi đi chỉ giúp hỗ trợ thêm cho việc giữ thăng bằng trong lúc đi, do đó hiểu được cấu tạo chân người sẽ giúp ích nhiều việc thiết kế robot. Chân người được cấu tạo từ các đoạn xương, các đoạn xương nối với nhau bằng các khớp, các khớp này chuyển động được là nhờ sự phối hợp chuyển động của các mô cơ. Các đoạn xương được chia thành các 4 cụm chính: cụm xương đùi, cụm xương cẳng chân, cụm xương bàn chân, cụm xương ngón chân. Như vậy chân người có thể xem là có 4 khâu cơ bản. Các humanoid robot giống người thường có 3 khâu mỗi chân. Tương ứng với đó, chân người cũng có 4 cụm khớp. Cụm khớp hông của người được xem là khớp cầu với 3 bậc tự do (DOF – Degree of freedom). Cụm khớp gối về cơ bản là khớp bản lề - 1 bậc tự do. Cụm khớp cổ chân, nhờ có sự chuyển động của 6 xương vùng cổ chân nên khớp cổ chân có 3 bậc tự do. Giữa cụm xương bàn chân và xương ngón chân là khớp ngón chân với 1 bậc tự do tương ứng với mỗi ngón. Tổng cộng mỗi chân của người có 30 bậc tự do [11]. Sẽ rất phức tạp nếu chế tạo robot với 30 bậc tự do ở chân. Tài liệu tham khảo [11] đã phân tích và đưa ra khả năng chuyển động tương ứng với số lượng bậc tự do ở chân robot theo Hình 2.2. Trong đó, thể hiện gần giống tương đối cử chỉ của người hơn và tối ưu hơn thông thường sẽ sử dụng 6 bậc tự do [9,10,12,13,14,15,16]. 2 bậc tự do ở khớp hông 2 bậc tự do ở khớp hông Z 1 bậc tự do ở khớp gối Y X 2 bậc tự do ở khớp cổ chân 2 bậc tự do ở khớp cổ chân a. 4 bậc tự do mỗi chân b. 5 bậc tự do mỗi chân 8