Nghiên cứu thiết kế chế tạo robot phục vụ trẻ em từ 4 đến 6 tuổi

Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018

Kỷ yếu khoa học

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO ROBOT PHỤC VỤ TRẺ EM
TỪ 4 ĐẾN 6 TUỔI
Bùi Nguyễn Hoài Thương*, Lê Thành Bền, Trần Trọng Nghĩa
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
*Tác giả liên lạc:
TĨM TẮT
Với sự tiến bộ khơng ngừng của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là ngành Cơ – Điện
Tử đã ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp và đời sống. Trong đó, nhánh Robot
dịch vụ đang được phát triển rộng rãi trên thế giới để phục vụ đời sống và công
việc của con người. Sự ra đời của chúng mở ra một kỉ nguyên mới, kỉ nguyên của
khoa học kỹ thuật, của sự thông minh sáng tạo, trong đó sức lao động cơ bắp dần
được thay thế bằng sức lao động của máy móc thiết bị. Với độ chính xác cao, khả
năng làm việc khơng ngừng nghỉ, cùng với tiềm lực đa tác vụ tốt, robot dần có
thể giúp con người trong mọi lĩnh vực của cuộc sống.
Vì những ưu điểm trên, nhóm chúng em quyết định triển khai đề tài “Nghiên cứu,
thiết kế và chế tạo Robot phục vụ trẻ em từ 4 đến 6 tuổi”. Robot mang tên BeTa
với khả năng hoạt động liên tục, được trang bị đa chức năng cùng giao diện
tương tác gần rủi nhằm trợ giúp tối đa cho con người về các nhu cầu như: tra
cứu, tìm kiếm, hỏi đáp thơng tin, dạy học và chơi đùa với trẻ em trong gia đình…
Robot BeTa được nghiên cứu, chế tạo và chạy thực nghiệm tại trường đại học Sư
phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh.
Từ khóa: Robot, trẻ em.
RESEARCH, DESIGN AND CREATING ROBOT TO SERVE
CHILDREN FROM 4 TO 6 YEARS
Bui Nguyen Hoai Thuong*, Le Thanh Ben, Tran Trong Nghia
Ho Chi Minh City University of Technology and Education
*Corresponding Author:

ABSTRACT
With the continuous advancement of science and technology, especially in the
field of Mechatronics, which widely applied in industry and life. The service
robots branch is being developed popularly in the world to serve life and work of
human. The exist of them opens a new era, the era of science and technology, the
creative intelligence, in which the muscular labor was gradually replaced by the
labor of machinery. With high accuracy, the ability to operate non-stop, with
good multi-tasking capabilities, the robot can gradually help people in all areas
of life.
Because of the above advantages, we decided to implement the project
“Research, design and manufacturing robots serve children from 4 to 6 years
old”. Robot’s name is Beta. Robot can continuous operate, is programmed multi
– functional and has friendly users interface to support people at most on needs
such as: searching information, training, play with children in your family,…
Robot Beta was built and operated at Ho Chi Minh City University of Technology
and Education.
Keywords: Robot, children.
486


Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018

TỔNG QUAN
Thiết kế và phát triển robot dịch vụ di
động có thể tự động vận hành trong nhà
để giao tiếp với trẻ em, dạy học, chơi
các trò cơ bản,…
Robot được thiết kế để phù hợp với
một số tiêu chí. Cấu trúc cơ học đơn
giản và hiệu quả với sự linh hoạt trong

chuyển động. Robot có thể tự động
tránh những trở ngại tĩnh và động lực.
Robot có thể tìm thấy cơ sở sạc của nó
vì năng lượng thấp. Giao diện người
dùng của robot rất đơn giản, thân thiện.
Robot sẽ được đặt trong khơng gian gia
đình để dạy học và chơi đùa với trẻ em.
Robot có thể di chuyển trên mặt phẳng
đồng chất và tránh các chướng ngại vật

Kỷ yếu khoa học

tĩnh và động. Do đó, thiết kế phải đảm
bảo rằng thiết kế phần cứng và thuật
tóa n phải đưa ra quyết định cấp cao.
Robot được thiết kế và thiết lập phần
cứng được phát triển song song. Robot
được thiết kế 6 bậc tự do. Các thành
phần chính của robot là đầu, thân robot
và màn hình cảm ứng đặc phía trướng
bụng. Cơ sở của robot bao gồm 3 bánh
xe: 2 bánh chủ động và 1 bánh xe bị
động. Khối lượng theo phân tích dự
kiến robot khoảng 20 kg bao gồm tất
cả các bộ phận cơ khí, hệ thống điện,
thiết bị truyền động, máy tính, màn
hình… Thiết bị truyền động là động cơ
DC. Tốc độ tối đa của robot là 0.9
km/h.

Hình 1. Sơ đồ cấu trúc của robot dịch vụ
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Để bắt tay vào nguyên cứu chế tạo và
thiết kế một con robot. Khởi điểm ban
đầu phải với nhiều ý tưởng và thực
hiện rất nhiều bước để hoàn thành đề
tài. Quy trình thực hiện thơng qua các
bước sau:
Đầu tiên, cần phải xác định đối tượng
phụ vụ của robot này là trẻ em từ 4 đến
6 tuổi. Sau đó lựa chọn hình dáng robot
làm sao thu hút người nhìn, thân thiện,
phù hợp với lứa tuổi thiếu nhi. Robot
phải có tính thấm mĩ và phải có những

tính năng cơ bản để tương tác với trẻ
em.
Thứ hai, phải ước tính kích thước và
cân nặng của robot. Điều cần quan tâm
nhất là kích thước robot. Kích thước
robot phải phù hợp với việc giao tiếp,
trẻ em có thể tương tác với màn hình
khi ngồi chơi với robot. Nếu kích
thước robot q lớn, nó sẽ làm hạn chế
đi sự tương tác của trẻ em với robot
cũng như tốn kém chi phí và thời giam
khi chế tạo. Mặc khác, nếu kích thước
robot quá nhỏ so với trẻ em thì việc sắp

487

Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018

xếp, bố trí phụ kiện khó khăn, rất khó
để trẻ em tương tác và giao tiếp. Vấn
đề trọng lượng của robot cũng đáng
quan tâm. Nếu robot quá nặng sẽ tiêu
hao rất nhiều năng lượng khi duy
chuyển, robot không thể duy chuyển xa
với thời gian lâu, ảnh hướng đến tuổi
thọ của động cơ.
Thứ ba, tìm kiếm và lựa chọn phần
cứng thích hợp với việc điều khiển
robot. Việc tìm kiếm phụ kiện cho
robot rất dễ dàng việc còn lại là phải
tính tóa n và chọn thơng số hợp lý cho
robot. Giá thành khi chế tạo robot cũng
là vấn đề quan ngại với người nghiên
cứu và thử nghiệm robot. Nên dự trù
hết tất cả các tính năng và nghĩ đến việc
nâng cấp cải tiến về sau khi lựa chọn
thiết bị cho robot.
Sau đó tính tóa n sơ bộ về vị trí lắp đặt
của thiết bị. Vị trí của thiết bị và bảng
mạch phải được lắp đặt sao cho dễ
dàng cài đặt và sửa chữa. Vị trí của
thiết bị ảnh hưởng đến hình dạng robot
vì vậy người thiết kế phải cách gá đặt
kế nói các thiết bị sao cho hợp lý tiết

kiệm khơng gian robot
Khi các giai đoạn trên hồn tất người
thiết kế bắt đầu với bản vẽ 3D để có cái
nhìn trực quan về robot nhất. Giai đoạn
này người thiết kế phải sáng tạo để cho
robot có cái nhìn phù hợp hơn với thực
tế, như tối ưu hóa diện tích, khối lượng
và hình dạng…Người thiết kế phải
hồn thiện mọi thứ trên bản vẽ 3D để
chốt phương án cuối cùng để tiến hàng
chế tạo. Hệ thống điều khiển robot là
một hệ thống kết nối và tương tác giữa
các thành phần và thiết bị khác nhau
như Mini PC (CPU), màn hình LCD,
camera, loa, micro, vi điều khiển, cảm
biến, motor ...Điều khiển trung tâm là
máy tính mini. Máy tính mini có chức
năng quản lý toàn bộ hoạt động của hệ
thống, thu thập và xử lý thông tin quan

Kỷ yếu khoa học

trọng và kết nối các thiết bị với nhau.
Ở đây, dữ liệu thu được từ máy ảnh và
micrơ được xử lý bởi CPU. Tính tóa n
các hành động thích hợp như hiển thị
thơng tin để giao tiếp với người dùng
thơng qua màn hình và loa hoặc kiểm
sóa t hành vi của robot thơng qua bộ vi
điều khiển thông qua giao diện

UART.Việc điều khiển hành vi robot
được thực hiện và được quản lý bởi
một vi điều khiển (MCU). MCU này
nhận tín hiệu điều khiển từ máy tính
mini và sau đó phân tích nó và gửi lệnh
tới bộ truyền động để thực hiện (di
chuyển robot đến một vị trí nhất định,
thay đổi hướng của máy ảnh, v.v.).
Ngồi ra, MCU cũng nhận được tín
hiệu từ các cảm biến để điều khiển
robot thông minh hơn.
KẾT QUẢ
Về robot điều khiển, thử nghiệm 3
trường hợp và quỹ đạo chuyển động
được minh họa trên biểu đồ bên dưới
(với đường đứt gãy là lý thuyết và
đường liền nét là thực tế). Kiểm tra
chuyển động thẳng Từ điểm ban đầu
(0; 0), cho robot di chuyển đếm điểm
(3000; 0), sai số không lớn lắm. Kiểm
tra độ chuyển động Cho robot di
chuyển từ (0; 0) đến vị trí (3000; 3000),
sai số chấp nhận được. Trong khoảng
robot di chuyển được 3m sẽ tiến hành
kiểm tra 1 lần. Khả năng cử động của
robot Với cấu hình robot có 6 bậc tự
do, Robot có thể cử động đầu, tay và di
chuyển linh hoạt. Đầu robot có thể
xoay một gốc 180 sang hai bê một cách
nhẹ nhàng không rung lắc. đầu có thể

gật một gốc 50 độ, phù hợp với tầm
nhìn trẻ em khi đang ngồi hoặc đứng
khi giao tiếp với robot. Hai cánh tay có
thể di chuyển tới lui với nhiều vị trí
khác nhau và gốc tối đa mà cách tay có
thể duy chuyển được là 135 độ.

488


Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018

Kỷ yếu khoa học

Hình 2. Robot sau khi hồn thành
KẾT LUẬN
Sau q trình nghiên cứu, phát triển và
thử nghiệm, BeTa Bot có thể làm việc
liên tục,… BeTaBot có thể tự động
hoạt động và tránh các trở ngại tĩnh và
động lực. BeTaBot cũng có thể tự động
tìm đế sạc khi năng lượng thấp. Trong
q trình hoạt động, đơi khi có lỗi nhỏ,

nhưng nói chung robot đạt được các
yêu cầu ban đầu và đảm bảo hỗ trợ cho
con người một cách tốt nhất.Trong
tương lai, chúng tôi hy vọng phát triển
thêm nhiều chức năng và trí tuệ nhân
tạo để hỗ trợ tốt nhất cho con người, tối

ưu hóa các thuật tóa n điều khiển và mở
rộng phạm vi ứng dụng.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
DƯƠNG TUẤN ANH (2011). Tổng quan về tìm kiếm tương tự trên dữ liệu chuỗi
thời gian. Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ, Tập 14 số K2-2011,
pp. 71-79.
NGUYỄN HỮU LỘC (2004). Cơ sở Thiết kế máy. Nhà xuất bản Đại học Quốc
gia TP. Hồ Chí Minh.
TRỊNH CHẤT, LÊ VĂN UYỂN. Tính tóa n thiết kế hệ dẫn động cơ khí. Nhà
xuất bản Giáo dục, tập 1, 2.

.

489