Hcmute nghiên cứu, thiết kế, chế tạo dầu robot tương tác

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ĐẦU ROBOT TƯƠNG TÁC MÃ SỐ: SV2020-36 SKC 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2020 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐH SƢ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ĐẦU ROBOT TƢƠNG TÁC SV2020 - 36 Chủ nhiệm đề tài: N V u TP Hồ C í ,t Luan van Hể SSV 16146309 Đ t SSV ăm 0 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐH SƢ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ĐẦU ROBOT TƢƠNG TÁC SV2020 - 36 Thuộc nhóm ngành khoa học: Khoa Cơ khí chế tạo máy SV thực hiện: Lê Xuân Đạt Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Năm thứ: Lớp, khoa:16146274 Ngành học: Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử Người hướng dẫn: PSG.TS Nguyễn Ngọc Phương TP Hồ C í ,t Luan van ăm 0 /Số năm đào tạo:4 LỜI C ƠN Nhóm chúng tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành Ban giám hiệu Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM quý thầy cô trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh nói chung thầy giáo khoa Cơ khí chế tạo máy, mơn Cơ điện tử nói riêng tận tình giảng dạy, truyền đạt cho kiến thức, kinh nghiệm quý báy suốt thời gian qua Đặc biệt xin gửi lời cảm ơn đến thầy PGS.TS Nguyễn Ngọc Phương, thầy tận tình giúp đỡ, trực tiếp bảo, hướng dẫn suốt trình làm đồ án Trong thời gian thực đề tài, không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích mà cịn học tập tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả, điều cần thiết cho chúng tơi q trình học tập cơng tác sau Trong q trình thực để hồn thành đồ án c ng làm báo cáo, thuyết minh đồ án, khó tránh kh i sai sót, mong thầy, cô điểm lượng thứ Đồng thời trình độ lý luận c ng kinh nghiệm thực tiễn, khả tài chính, quỹ thời gian cịn hạn chế nên báo cáo khơng thể tránh kh i thiếu sót, bất cập Chúng tơi mong nhận ý kiến đóng góp chân thành quý báu quý thầy, cô để học tập thêm nhiều kiến thức, kinh nghiệm sâu s c, trân quý mái trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh c ng hành trang theo suốt đường đời Chúng xin chân thành cảm ơn! i Luan van T TẮT Robot học ngành kỹ thuật bao gồm thiết kế, chế tạo, vận hành, ứng dụng robot, c ng hệ thống máy tính để điều khiển, phản hồi tín hiệu cảm biến, xử lý thông tin chúng Những công nghệ liên hệ với máy móc tự động dùng để thay người môi trường độc hại trình sản xuất, b t chước người hình thức, hành vi, nhận thức Nhiều robot ngày lấy cảm hứng từ lồi vật, đặc biệt người, cịn gọi robot ph ng sinh học Về mặt học, robot đầu người tương tác hệ nhiều vật cấu trúc động học kín có khâu nối với khớp động Vì việc nghiên cứu sâu toán động học điều khiển robot đầu người tương tác để tận dụng ưu điểm vấn đề khoa học có ý nghĩa thực tế Những lĩnh vực cụ thể mà nhóm cần tìm hiểu để thực robot là: - Nghiên cứu thiết kế khí cấu tự động - Nghiên cứu thiết kế v , da cho robot - Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển- mạch điện lập trình - Nghiên cứu lập trình giao diện,hệ thống quản lý cho robot tương tác Nhóm thực chọn “Robot đầu người tương tác” làm đối tượng để nghiên cứu đề tài tập trung nghiên cứu trình bày vấn đề chủ yếu sau: - Cơ cấu thực chuyển động m t - Cơ cấu thực chuyển động mí m t - Cơ cấu thực chuyển động lông mày - Cơ cấu thực chuyển động hàm - Cơ cấu thực chuyển động môi - Cơ cấu thực chuyển động khuôn mặt để biểu cảm xúc - Cơ cấu thực chuyển động khớp cổ - Cách tạo khuôn sử dụng vật liệu silicone để làm da cho robot - Mạch điều khiển - Hệ thống quản lý liệu ii Luan van MỤC LỤC LỜI CẢM N……………………………………………………………………… i T M T T…………………………………… …………………………………….ii D NH MỤC H NH ẢNH……………………………………….…………………iii D NH MỤC BẢNG BIỂU……………………………………………………… iv CHƯ NG I: TỔNG QU N VÀ C SỞ LÝ THUYẾT……………………………1 1.1 Lịch sử đầu robot tương tác…………………………………………………….1 1.2 Giới thiệu robot dạng người…………………………………………………3 1.3.Robot dạng người nay…………………………………………………… 1.4 Thiết kế cấu chuyển động đầu robot tương tác………………………….4 CHƯ NG 2: THIẾT KẾ C KH M PH NG CỔ NGƯỜI…………………… 2.1 Xác định số bậc tự giải phẫu cổ người………………………………… 2.1.1 Xác định số bậc tự cổ người………………………………………… 2.1.2 Giải phẫu cổ người nhìn từ ngang…………………………………………….6 2.1.3 Giải phẫu cổ người nhìn từ phía trước……………………………………… 2.2 Mơ hình thiết kế khí ngun lý hoạt động cổ người…………………8 2.2.1 Mơ hình thiết kế khí……………………………………………………… 2.2.2 Nguyên lí hoạt động………………………………………………………… 2.3 Chọn động cho khớp cổ……………………………………………………10 2.4 Các tính tốn thiết kế khí cổ người……………………………………… 12 2.4.1 Tính toán quan hệ vận tốc cấu cổ người…………………………… 12 2.4.2 Tính tốn động học thuận cấu cổ người………………………………….13 2.4.3 Tính tốn động học nghịch cấu cổ người……………………………… 15 2.4.4 Tính tốn bánh cấu cổ người…………………………………17 2.5 Không gian hoạt động cấu cổ người mô ph ng Matlab……………….19 2.5.1 Không gian hoạt động mặt ph ng OXY……………………………… 19 2.5.2 Không gian hoạt động mặt ph ng ZOX……………………………… 19 2.5.3 Không gian hoạt động mặt ph ng OXYZ………………………………20 2.5.4 Không gian hoạt động mặt ph ng ZOY……………………………… 20 2.6 Hình ảnh thực tế mơ hình khí mơ ph ng cổ người ……………………21 iii Luan van CHƯ NG 3: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO C CẤU CHUYỂN ĐỘNG CỦA CẦU M T, MÍ M T, C HÀM……………………………………………26 3.1.Mục tiêu thiết kế……………………………………………………………….26 3.2.Thiết kế cấu trúc chuyển động phần đầu robot……… ………………26 3.2.1 Thiết kế khung xương đầu………………………………26 3.2.2 Thiết kế cấu chuyển động cầu m t………………………………27 3.3.Thiết kế chế nhìn m t………………………………… ………………29 3.3.1 Cơ chế nhìn m t bên trái bên phải………………………………29 3.3.2 Cơ chế nhìn m t phía phía dưới………………………………31 3.4 Thiết kế chế chuyển động mí m t…………………………………… 32 3.4.1 Sơ lược chế chuyển động mí m t…………………………………… 32 3.4.2 Thiết kế chế chuyển động mí m t trên………………………………… 33 3.4.3 Thiết kế chế chuyển động mí m t dưới………………………………… 35 3.4.4 Tính tốn động học chế chuyển động mí m t……………………………36 3.5 Thiết kế chế chuyển động lông mày………………………………… 38 3.5.1 Sơ lược lông mày……………………………………………………… 38 3.5.2 Cơ chế kéo lông mày……………………………………………………… 41 3.6 Cơ chế chuyển động cằm………………………………………………….42 3.7 Cơ chế chuyển động môi………………………………………………….44 3.8 Chọn động cơ………………………………………………………………….48 3.8.1 Cơ cấu cầu m t……………………………………………………………….49 3.8.2 Cơ cấu lông mày môi………………………………………………48 3.8.3 Cơ cấu cằm……………………………… ……………………………… 49 CHƯ NG 4: MẠCH ĐI N……………………………………………………… 50 4.1.Sơ đồ khối hệ thống……………………………………………………………50 4.2.Lựa chọn thiết bị………………………………………………………… 51 4.2.1.Nguồn điện cho Servo……………………………………………………… 52 4.2.2.Mạch điều khiển…………………………………………………………… 52 CHƯ NG 5: PHẦN L P TR NH VÀ ĐIỀU KHIỂN…………………………….54 5.1 Phần mềm sử dụng…………………………………………………………….54 5.2 Kết đạt được………………………………………………………………54 iv Luan van CHƯ NG 6: KẾT LU N VÀ HƯỚNG PH T TRIỂN………………………… 56 6.1.Kết luận……………………………………………………………………… 56 6.2.Hướng phát triển……………………………………………………………….56 TÀI LI U TH M KHẢO………………………………………………………….57 v Luan van MỤC LỤC HÌNH ẢNH H Robot "Futura" phim Fritz Lang Metropolis………… H ASIMO (2000) Triển lãm Expo 2005, mang hình dạng giống người nên đơi c ng gọi "người máy ASIMO………………………….2 H Robot dạng người……………………………………… ………….3 H : Sophia hội thảo I for GOOD Global Summit Liên minh Viễn thông Quốc tế, Genève, Thụy Sĩ 2018…………………………… ………… H H H H H H H H H 2.1: Cổ người trạng thái bình thường…………………………….… 2.2: Cổ người thực động tác cúi ngửa…………………….….… 2.3: Cổ người thực động tác l c xoay………………………… 2.4: Giải phẫu cổ người nhìn từ ngang…………………………….…… 5: Giải phẫu cổ người nhìn từ phía trước……………………… …… 2.6: Mô ph ng cấu chuyển động cổ…………………………… Các thơng số kích thước động Servo LD – 27mg………… Robot "Futura" phim Fritz Lang Metropolis………… i Robot "Futura" phim Fritz Lang Metropolis………… i vi Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐH SƢ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo đầu robot tương tác - Chủ nhiệm đề tài: - Lớp: 161462C Lê Xuân Đạt Mã số SV: 16146274 Khoa: Cơ khí chế tạo máy - Thành viên đề tài: vii Luan van Hình 3.23: Robot q trình hồn thành 37 Luan van 3.7 Cơ c ế chuyể động môi Trong việc thiết kế mơi cho robot nhóm lượt bớt vài nhóm môi, giữ chủ đạo Tuy lượt bớt nhóm mơi robot thực hình mơi người Dưới hình ảnh robot thực hình mơi: Hình 3.24: Biểu cười robot 38 Luan van Hình 3.25: Biểu tức giận robot 39 Luan van Khi mơi vị trí trung lập, nghĩa vị trí bình thường mơi servo điều khiển nằm góc 90 độ Hình 3.26: Mơ hình hóa cấu thực chế chuyển động mơi Hình 3.27: Mơ hình hóa cấu thực chế chuyển động môi với động 40 Luan van H 3.28: Hình ảnh thực tế mơ hình cấu chuyển động môi 41 Luan van 3.8 Chọ độ Do vật liệu nhựa in PLA nhẹ nên tải không đáng kể 3.8.1 Cơ cấu cầu mắt Tải không đáng kể nên chọn động servo MG90S: o Servo RC MG90S:  Kích thước: 22.5mm x 12mm x 35.5mm  Trọng lượng: 13.4 gram  Tốc độ không tải: 0.1s/60o (4.8V) – 0.08s/60o (6.0V)  Momen xo n: 1.8kgf.cm (4.8V) - 2.2kgf.cm (6.0V)  Điện áp hoạt động : 4.8V - 6V Tải không đáng kể nên chọn động servo MG90S: o Servo RC MG90S:  Kích thước: 22.5mm x 12mm x 35.5mm  Trọng lượng: 13.4 gram  Tốc độ không tải: 0.1s/60o (4.8V) – 0.08s/60o (6.0V)  Momen xo n: 1.8kgf.cm (4.8V) - 2.2kgf.cm (6.0V)  Điện áp hoạt động : 4.8V - 6V 3.8.2 Cơ cấu mày m Tải không đáng kể nên chọn động servo MG90S: o Servo RC MG90S:  Kích thước: 22.5mm x 12mm x 35.5mm  Trọng lượng: 13.4 gram  Tốc độ không tải: 0.1s/60o (4.8V) – 0.08s/60o (6.0V)  Momen xo n: 1.8kgf.cm (4.8V) - 2.2kgf.cm (6.0V)  Điện áp hoạt động : 4.8V - 6V 42 Luan van 3.8.3 Cơ cấu cằm Dùng Servo RC MG946R để kéo chuyển động cằm o Servo RC MG946R:  Kích thước : Kích thước 40mm x 19mm x 43mm  Trọng lượng: 55 gram  Tốc độ không tải: 0.2 giây/60 độ (4.8V), 0.17 giây/60 độ (6V)  Momen xo n: kgf.cm (4.8V), 12 kgf.cm (6V)  Điện áp hoạt động : 4.8V-6V 43 Luan van CHƢƠNG Sơ đồ k ố ẠCH ĐI N ệt ố H 4.1: Sơ đồ khối hệ thống 44 Luan van ựa c ọ t ết bị Đ ệ áp o t độ (VDC) ome t xoắ (kgf.cm) Dị k có tả c o từ độ (mA) Dò k bị m c o từ độ (mA) Bộ p ậ Servo Số ƣợ Cầu m t MG90S 4.8 - 2.2 120 - 250 700 Mí m t MG90S 4.8 - 2.2 120 - 250 700 Lông mày MG90S 4.8 - 2.2 120 - 250 700 Môi MG90S 4.8 - 2.2 120 - 250 700 Cằm MG946R 4.8 - 6.6 10.5 – 13 170 1200 Cổ LD-27MG 4.8 - 7.2 9.4 – 11 500 - 900 2500 (6 VDC) 22 - - 6870 19900 Tổ Bả Lựa chọn thiết bị cho đầu Robot tương tác 45 Luan van N uồ đ ệ c o Servo Vậy ta sử dụng nguồn DC có ngõ điện áp 5V dịng điện lớn 20 Nên sử dụng nguồn điện hình: H Nguồn điện cho Servo c đ ều k ể H Mạch điều khiển Nhóm lựa chọn mạch điều khiển hình vì:  Sử dụng vi xử lý 32 bit, điều khiển đến 32 động Servo  Mạch điều khiển có sẵn mạch cơng suất kèm theo  Khó bị nhiễu cho động nguồn cho vi xử lý độc lập với nguồn cho động  Dễ sử dụng, có phần mềm sử dụng kèm theo Tuy nhiên, thiết bị c ng có số nhược điểm:  Giá thành cao  Bộ nhớ chương trình khơng lớn 46 Luan van CHƢƠNG PHẦN ẬP TR NH VÀ ĐIỀU HIỂN P ầ mềm sử dụ Phần mềm để sử dụng với mạch điều khiển 32 động Servo có tên RTrobot H Giao diện phần mềm RTrobot ết đ t đƣợc Một số biểu cảm xúc khuôn mặt mà nhóm làm được: H Biểu vui 47 Luan van H H H 3: Biểu buồn 4: Biểu giận 4: Biểu sợ hãi 48 Luan van CHƢƠNG 6.1 ẾT UẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ết uậ Thiết kế Đầu robot tương tác giải vấn đề tại: chuyển động nhãn cầu, mí m t, hàm, khớp cổ; mạch điều khiển động cơ; nhận dạng khuôn mặt, mô ph ng trạng thái cảm xúc nhờ vào thuật tốn xử lý tín hiệu số để phát triển cấu dần hoàn thiện để đạt kết cao Tuy nhiên, nhóm cần chưa hồn thiện cấu để chuẩn bị l p da vào Một số chi tiết khí điều kiện nguồn tài nên chưa gia cơng tỉ mỉ, gia cơng xác cao, nên thời gian tới tiếp tục cải tiến để đáp ứng nhu cầu 6.2 Hƣớ p át tr ể Hoàn thiện, cải tiến lại cấu Sẽ l p cảm biến, nhận diện khuôn mặt, nghiên cứu l p da lại cho thật hồn thiện, gia cơng lại chi tiết, khớp nối với vật liệu tối ưu để đảm bảo tốt tương tác 49 Luan van TÀI I U THA H O [1] Giáo trình kĩ thuật Robot, Nguyễn Trường Thịnh, NXB ĐHQG TPHCM [2] Parallel Robots: Mechanics and Control, Hamid D Taghirad [3] Thiết kế hệ thống dẫn động khí tập 2, Trịnh chất Lê Văn Uyển, NXB GD [4] Vi điều khiển PIC 16F887, Nguyễn Đình Phú, NXB ĐHQG TPHCM 50 Luan van Luan van ...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐH SƢ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ĐẦU ROBOT TƢƠNG TÁC SV2020 - 36 Chủ nhiệm... SSV ăm 0 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐH SƢ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ĐẦU ROBOT TƢƠNG TÁC SV2020 - 36 Thuộc nhóm... Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo đầu robot tương tác - Chủ nhiệm đề tài: - Lớp: 161462C Lê Xuân Đạt Mã số SV: 16146274 Khoa: Cơ khí chế tạo máy - Thành viên đề tài: vii