Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO ROBOT TIẾP TÂN DESIGN AND DEVELOPMENT RECEPTION ROBOT Nguyễn Trường Thịnha, Tưởng Phước Thọb, Nguyễn Ngọc Phương c Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP HCM a thinhnt@hcmute.edu.vn; bthotp@hcmute.edu.vn; cphuongnn@hcmute.edu.vn TÓM TẮT Bài báo đề xuất thiết kế phát triển dạng robot tiếp tân - robot dịch vụ - nhiệm vụ robot tự di chuyển, tự định vị vị trí cách lập nên đồ không gian làm việc, trình di chuyển robot tránh vật cản cố định di động Ngoài robot giao tiếp, cung cấp thông tin cho người dùng thông qua hình giọng nói Từ khóa: robot dạng người, robot tiếp tân, robot dịch vụ ABSTRACT Receptionist Robot is a form of service robots The mission of this robot is self-moving, self-positioning their position by setting up the map in the workspace Robot can avoid obstacles fixed and mobile Besides robots can communicate, provide information to users through touch screen and voice Từ khóa: mobile robot, reception robot, service robot GIỚI THIỆU Trong thời đại mà thành tựu khoa học kỹ thuật phát triển không ngừng, chất lượng sống ngày nâng cao nhờ thiết bị tích hợp trí thông minh nhân tạo Máy móc dần thay người, đặc biệt robot Trong kỷ XXI, chất lượng sống người nâng cao, công việc đơn giản, nhàm chán dơ bẩn thay máy móc tự động, thời điểm phát triển vượt bậc công nghệ robot đặc biệt robot dịch vụ Hình 1: Robot dịch vụ FUJITSU 217 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Robot dịch vụ chủ đề rộng xem lĩnh vực lớn chưa phổ biển rộng rãi thị trường Robot phục vụ ứng dụng từ chăm sóc, vệ sinh nhà cửa đến hoạt động phức tạp đòi hỏi xác khéo léo như: việc vận chuyển người bệnh bệnh viện, vận chuyển thuốc,… Các ứng dụng robot dịch vụ hoạt động văn phòng, trường học, siêu thị không nghiên cứu rộng rãi báo mở rộng kiến thức lĩnh vực Việc nghiên cứu thiết kế chế tạo robot dịch vụ ứng dụng vào thực tế sống điều cần thiết, việc tiếp cận làm chủ công nghệ robot nước ta Phát triển robot dịch vụ góp phần vào việc nâng cao chất lượng sống, hiệu làm việc, tạo tảng ban đầu cho việc phát triển robot dịch vụ tiền đề vững cho việc nghiên cứu học tập công nghệ robot dịch vụ Đối tượng nghiên cứu robot dịch vụ có hình dáng người đặt môi trường đại sảnh trường học, văn phòng, khách sạn đông người qua lại, yêu cầu đặt cho robot phải tự di chuyển, nhận biết tự tránh vật cản, nhận biết người từ giao tiếp, hướng dẫn cung cấp thông tin vị trí phòng ban vấn đề mà người dùng quan tâm THIẾT KẾ CƠ KHÍ VÀ PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC[1,2] 2.1 Thiết kế robot Phần khí robot gồm có cấu di chuyển thân robot Phần khung robot có kết cấu Hình 2, chế tạo hợp kim nhôm nhằm giảm thiểu tối đa trọng lượng cho robot mà đảm bảo độ cứng vững cho toàn kết cấu Phần khung chia làm hai tầng: Tầng 1: chứa cấu di chuyển động bánh xe với nguồn lượng robot trọng tâm robot hạ thấp, đồng thời tầng chịu toàn trọng lượng robot Tầng 2: chứa điều khiển trung tâm mạch điện điều khiển Hình 2: Kết cấu phần khung robot Phần vỏ robot thiết kế dạng người có hình dáng thân thiện với người sử dụng – Hình - bao gồm phần đầu trang bị RPLiDAR quét 3600 để phát người vật cản dựng lên đồ ảo cho robot di chuyển, loa để phát “tiếng nói” robot Phần thân trang bị camera Kinect 360 với nhiệm vụ nhận diện khuôn mặt để bắt đầu tương tác người với robot, phân biệt người quen có ảnh người đó, phân tích cảm xúc để dễ dàng tương tác 218 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình 3: Thiết kế hoàn chỉnh robot 2.2 Động học robot di động Hình 4: Mô hình tính toán động học robot Để điều khiển robot di chuyển tự động không gian, phải xác định vị trí robot mặt phẳng Do cần xây dựng mối quan hệ tọa độ tham chiếu toàn cục (Oxy) hệ tọa độ tham chiếu cục (Pxmym )gắn liền với robot Điểm P coi tâm dịch chuyển robot, dùng để xác định vị trí robot Như điểm P hệ tọa độ toàn cục xác định tọa độ x, y Gọi thông số hình học robot: ∆S1: đoạn dịch chuyển bánh trái ∆S2: đoạn dịch chuyển bánh phải ∆ω1: vận tốc góc bánh trái ∆ω2: vận tốc góc bánh phải r: bán kính bánh xe L: khoảng cách hai bánh xe I: tâm quay tức thời robot điểm vô mặt phẳng ∆φ: góc quay robot so với tâm quay tức thời 219 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV RP: khoảng cách từ tâm robot đến tâm vận tốc tức thời RP – L/2: bán kính mô tả chuyển động cong bánh trái RP + L/2: bán kính mô tả chuyển động cong bánh phải Đoạn dịch chuyển bánh trái phải: ∆S1 = ∆ω1.r (1) ∆S2 = ∆ω2.r Từ tam giác đồng dạng tạo quỹ đạo chuyển động robot suy bán kính cong góc dịch chuyển tâm robot tới tâm vận tốc tức thời I theo công thức: L(∆S + ∆S ) RP = 2(∆S2 − ∆S1) ∆φ = arcsin ( (2) ∆S2 − ∆S1 L )≈ ∆S2 − ∆S1 L (3) Xét hai chuyển động robot: - Khi ∆S2 = ∆S1; RP = ∞; ∆φ = 0; robot di chuyển theo quỹ đạo thẳng - Khi ∆S2 = −∆S1; RP = 0; ∆φ = 2∆S2/L; robot quay quanh tâm P ∆x, ∆y lượng dịch chyển robot so với hệ trục gắn ∆x = RP.sin∆φ; ∆y = RP(1 - cos∆φ ) ∆X , ∆Y lượng dịch chuyển robot theo phương gắn với hệ tọa độ gốc: [ ∆x ∆X ]=[ ∆y ∆Y −∆y cos∆φ ][ ] ∆x sin∆φ (4) Vị trí robot xác định tọa độ gốc P(Xp, Yp) + góc định hướng φP, tọa độ thời điểm thứ i xác định sau: φ𝑃(𝑖) φ𝑃(𝑖−1) ∆φ𝑃(𝑖) [ 𝑋𝑃(𝑖) ] = [ 𝑋𝑃(𝑖−1) ] + [ ∆𝑋𝑃(𝑖) ] (5) 𝑌𝑃(𝑖) 𝑌𝑃(𝑖−1) ∆𝑌𝑃(𝑖) HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN [3-5] Đối với robot tự hành, vấn đề di chuyển quan trọng, việc kết hợp tốt toàn hệ thống cảm biến đo lường, cảm biến tương tác với môi trường giúp cho robot có nhiều giải thuật di chuyển, tự định vị vị trí tốt môi trường hoạt động Ngoài ra, robot tương tác với người đòi hỏi tương tác trao đổi xử lý tính hiệu cảm biến, điều khiển trung tâm phải kết hợp với cách chặt chẽ Hệ thống điều khiển robot thiết kế gồm module Slam Vision Module Slam module khối cảm biến giúp robot di chuyển xác định vị trí môi trường làm việc bao gồm: cảm biến siêu âm giúp robot xác định chướng ngại vật để né tránh, robot tích hợp cảm biến siêu âm để robot nhận biết chướng ngại vật phía trước hai bên, từ né tránh vật cản theo giải thuật fuzzy Hệ thống cảm biến encoder động giúp xác định vị trí robot kiểm soát vận tốc La bàn số giúp robot xác định hướng quay từ tín hiệu phản hồi đồng thời giúp robot di chuyển đúng hướng định sẵn Cảm biến RPLiDAR Scanner sử dụng hệ thống thu phát lazer giúp robot nhận biết tất vật cản xung quanh, xây dựng lên đồ ảo môi trường làm việc từ xác định vị trí robot không gian làm việc Tất cảm biến kết nối với hệ thống máy tính với vai trò điều khiển robot trình bày Hình 220 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình 5: Slam Module xác định vị trí xây dựng đồ Robot thực chức giao tiếp với người thông qua việc thu nhận hình ảnh âm từ đối tượng giao tiếp từ xuất tín hiệu phản hồi thông qua loa phát âm màng hình LCD với Vision Module Hình Hình 6: Vision Module giao tiếp nhận dạng đối tượng Cấu trúc hệ thống điều khiển robot Hình 7, phận giao tiếp tương tác đối tượng, sau nhận biết có đối tượng tiếp xúc thông qua camera màng hình LCD xử lý trung tâm tiếp nhận thông tin từ hình ảnh camera truyển hệ thống cảm biến định vị làm cho robot dừng lại tiếp nhận thông tin từ đối tượng giao tiếp bao gồm âm hình ảnh Sau đó, xử lý xuất tính hiệu trả lời tương ứng qua phương diện âm lẫn hình ảnh cho đối tượng giao tiếp, trường hợp robot không hiểu yêu cầu đối tượng giao tiếp robot từ chối trả lời – Hình [6] Hình 7: Sơ đồ tổng thể cấu trúc Robot 221 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình 8: Sơ đồ chức THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ Bảng 1: Thông số robot STT Đặc tính Thông số Chiều cao 1600 mm Khối lượng 50 kg Vật liệu Vỏ nhựa composite – khung nhôm Bánh xe bánh xe dẫn động (D =100mm), bánh xe tự lựa Truyền thông Wireless, Internet Camera Kinect 360 Màn hình LCD 19 inch Cảm biến IR Sensor, FS Sensor, LIDAR,MPU6050 Nền tảng Win OS 10 Năng lượng Acquy 50Ah x 11 Tốc độ tối đa 0.25 m/s (0.9 km/h) 12 Bộ xử lý Core i5 HDD- 160GB-RAM 4GB 13 Động 35W x 222 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Robot dịch vụ thiết kế chế tạo với cấu trúc Hình Bảng thông số kỹ thuật robot Trong phần thực nghiệm, robot cho hoạt động để đánh giá chức thiết kế: nhận diện đối tượng, di chuyển tự hành tránh vật cản, giao tiếp âm RPLiDA R Loa Màng hình cảm ứng Camera Micro Cảm biến siêu âm Hình 9: Hệ thống cảm biến robot Hình 10: Giao diện chương trình chính Hình 10 giao diện điều khiển Robot, Hình 11 giao diện nhận diện khuôn mặt người, chức nhận diện dự đoán cảm xúc, robot nhận diện có người đến giao tiếp dự đoán cảm xúc người tiếp xúc xác, bao gồm trạng thái vui, buồn, ngạc nhiên, giận [7] Hình 11: Giao diện nhận diện cảm xúc 223 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV KẾT LUẬN Robot tiếp tân thiết kế chế tạo thành công, yêu cầu tránh vật cản, xác định vị trí không gian, giao tiếp tương tác với người hoạt động ổn định trình thực nghiệm Giải thuật điều khiển giải toán tránh vật cản, toán xác định vị trí Phần nhận diện xử lý ảnh làm việc ổn định điều kiện ánh sáng tốt Giao diện giao tiếp thân thiện, dễ sử dụng Với kết ban đầu cho thấy phát triển hoàn thiện robot dịch vụ ứng dụng việc tiếp tân, hướng dẫn văn phòng cách tự động Bước nâng cấp giải thuật điều khiển giúp robot di chuyển thông minh hơn, đáp ứng nhanh Hoàn chỉnh chức giao tiếp giọng nói lưu loát, biểu cảm xúc thân hoàn thiện khả giao tiếp với người TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Trường Thịnh, Kỹ thuật robot, NXB Đại học Quốc gia TP HCM, năm 2014 [2] Lê Thanh Phong, Sức bền vật liệu, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP HCM, năm 2007 [3] Vũ Mạnh Hùng, Nhận dạng mặt người sử dụng đặc trưng PCA, Luận văn Thạc sĩ, Học viện Công nghệ bưu viễn thông HN, năm 2013 [4] Trương Công Lợi, Nhận dạng khuôn mặt sử dụng phương pháp biến đổi Eigenfaces, Luận văn Thạc sĩ, Đại học Đà Nẵng, năm 2013 [5] Haolin Wei, Patricia Scanlon, Yingbo Li, David S Monaghan, Noel E O’Connor, Realtime head nod and shake detection for continous human affect recognition, năm 2010 [6] Qi-rong Mao, Xin-yuPan, Yong-zhao Zhan, Xiang-jun Shen, Using Kinect for real-time emotion recognition via facial expressions, năm 2013 [7] Adam Wyrembelski, Detection of the selected, basic emotions based on face expression using Kinect, năm 2013 224 ... chuyển thuốc,… Các ứng dụng robot dịch vụ hoạt động văn phòng, trường học, siêu thị không nghiên cứu rộng rãi báo mở rộng kiến thức lĩnh vực Việc nghiên cứu thiết kế chế tạo robot dịch vụ ứng dụng... quốc khí - Lần thứ IV Robot dịch vụ thiết kế chế tạo với cấu trúc Hình Bảng thông số kỹ thuật robot Trong phần thực nghiệm, robot cho hoạt động để đánh giá chức thiết kế: nhận diện đối tượng,... học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV KẾT LUẬN Robot tiếp tân thiết kế chế tạo thành công, yêu cầu tránh vật cản, xác định vị trí không gian, giao tiếp tương tác với người hoạt động ổn định