NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH BÀN TAY ROBOT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

NGUYỄN ĐÌNH NAM – LỚP 60TĐH2

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
THÔNG MINH BÀN TAY ROBOT
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: TS. NGƠ QUANG VĨ

HÀ NỘI – 2023


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
----------o0o--------NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: Nguyễn Đình Nam

Hệ đào tạo: Đại học chính quy

Lớp: 60TĐH2

Ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự

Khoa: Điện - Điện tử

động hóa

1. TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH BÀN
TAY ROBOT
2. CÁC TÀI LIỆU CƠ BẢN:
[1] Vi điều khiển và ứng dụng hướng dẫn sử dụng Arduino, Trương Đình Nhơn, Phạm
Quang Huy, NXB Thanh Niên, 2014
[2] Giáo trình C++ và lập trình hướng đối tượng, Phạm Văn Ất, Lê Trường Thông, NXB
Bách Khoa Hà Nội, 2017
[3] Python cơ bản, Bùi Việt Hà, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội
[4] Xử lý ảnh với Arduino và Raspberry, Nguyễn Trần Minh Nguyệt, Phạm Quang Huy,
NXB Thanh Niên, 2020
3. NỘI DUNG CÁC PHẦN THUYẾT MINH VÀ TÍNH TỐN:
Nội dung
Chương 1: Tổng quan đề tài
Chương 2: Thiết bị và giải pháp công nghệ
Chương 3: Cơ sở xây dựng mơ hình bàn tay robot
Chương 4: Kết quả chạy thực nghiệm
4. HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU:
Đồ án có 36 hình ảnh và 1 bảng biểu

i


5. GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN:
Giáo viên hưỡng dẫn toàn bộ đồ án: TS. Ngô Quang Vĩ
6. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP/ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Ngày

tháng

năm 2022

Trưởng Bộ mơn

Giáo viên hướng dẫn chính

(Ký và ghi rõ họ tên)

(Ký và ghi rõ họ tên)

TS. Phạm Đức Đại

TS. Ngô Quang Vĩ

Sinh viên đã hoàn thành và nộp Đồ án tốt nghiệp cho Hội đồng thi tốt nghiệp
Ngày…… tháng …… năm 20…
Sinh viên làm Đồ án tốt nghiệp
(Ký và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Đình Nam

Nhiệm vụ Đồ án tốt nghiệp đã được Hội đồng tốt nghiệp của Khoa thông qua
Ngày…… tháng …… năm 20…
Chủ tịch Hội đồng
(Ký và ghi rõ họ tên)

ii

LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là Đồ án tốt nghiệp của bản thân tác giả. Các kết quả trong
Đồ án tốt nghiệp này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới
bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và
ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.
Hà Nội, Ngày…… tháng …… năm 20……
Sinh viên thực hiện
(Ký và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Đình Nam

iii


LỜI CÁM ƠN
Để hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp, em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong
khoa Điện – Điện Tử đã tạo những điều kiện tốt nhất cho chúng em hoàn thành đề tài.
Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến TS. Ngô Quang Vĩ giảng viên khoa
Điện – Điện Tử đã trực tiếp bảo ban, hướng dẫn và tận tình giúp đỡ tạo điều kiện giúp
em hoàn thành tốt đề tài.
Do chưa có nhiều kinh nghiệm làm để tài cũng như những hạn chế về kiến thức,
trong báo cáo chắc chắn sẽ khơng tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự
nhận xét, ý kiến đóng góp, phê bình từ phía các thầy cơ để báo cáo của em được hoàn
thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày…tháng…năm 20…
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Đình Nam

iv


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH................................................................................... vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH CÁC THUẬT NGỮ ................ix
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .......................................................................2
1.1. Đặt vấn đề .............................................................................................................2
1.2. Tổng quan về các cơng trình nghiên cứu liên quan ..............................................4
1.2.1. Giới thiệu về robot .........................................................................................4
1.2.2. Trong nước ....................................................................................................5
1.2.3. Ngoài nước ....................................................................................................8
1.3. Mục tiêu đề tài ....................................................................................................12
CHƯƠNG 2. THIẾT BỊ VÀ GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ ............................................13
2.1. Bộ điều khiển ......................................................................................................13
2.1.1. Giới thiệu về Arduino ..................................................................................15
2.1.2. Phần cứng của Arduino. ..............................................................................16
2.1.3. Ứng dụng của Arduino ................................................................................16
2.1.4. Ứng dụng của Arduino trong đề tài. ............................................................ 17
2.2. Cảm biến .............................................................................................................17
2.2.1. Cấu tạo chung .............................................................................................. 18
2.2.2. Phân loại ......................................................................................................19
2.2.3. Cảm biến và các module có trong mơ hình .................................................20
2.3. Nguồn và cơ cấu chấp hành ................................................................................23
2.3.1. Nguồn tổ ong ............................................................................................... 23
2.3.2. Màn hình LCD 1602 ....................................................................................24
2.3.3. Động cơ Servo 996R ...................................................................................25

2.4. Vật liệu in 3D .....................................................................................................26
2.5. Các chuẩn giao tiếp được sử dụng ......................................................................28
2.5.1. Chuẩn giao tiếp UART ................................................................................28
2.5.2. Chuẩn giao tiếp I2C .....................................................................................30
2.6. Phần mềm sử dụng để làm đề tài ........................................................................33

v


2.6.1. Phần mềm Arduino IDE ..............................................................................33
2.6.2. Phần mềm Pycharm .....................................................................................34
2.7. Nhận diện chuyển động bàn tay với OpenCV – HAND TRACKING ..............35
2.7.1. Open CV ......................................................................................................36
2.7.2. Media Pipe ...................................................................................................38
2.7.3. Thiết kế giao diện với Qt Designer ............................................................. 38
CHƯƠNG 3. CƠ SỞ XÂY DỰNG MƠ HÌNH BÀN TAY ROBOT ........................... 40
3.1. Sơ đồ khối ...........................................................................................................40
3.1.1. Khối cảm biến.............................................................................................. 40
3.1.2. Khối xử lý trung tâm ...................................................................................41
3.1.3. Khối hiển thị thông báo ...............................................................................42
3.1.4. Khối máy tính .............................................................................................. 42
3.1.5. Khối chấp hành ............................................................................................ 42
3.1.6. Sơ đồ kết nối ................................................................................................ 43
3.1.7. Bảng kết nối .................................................................................................44
3.2. Lắp ráp thiết kế mơ hình .....................................................................................45
3.3. Ngun lý hoạt động của hệ thống .....................................................................48
3.4. Nguyên lý của phương pháp điều khiển bàn tay Robot bằng xử lý ảnh ............49
3.5. Nguyên lý phương pháp điều khiển bàn tay Robot bằng cảm biến uốn cong ....51
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ CHẠY THỰC NGHIỆM ......................................................53
4.1. Hình ảnh tồn mơ hình .......................................................................................53

4.2. Hình ảnh mơ hình làm theo chuyển động tay người (Xử lý ảnh bàn tay) ..........53
4.3. Hình ảnh mơ hình hoạt động theo tín hiệu của cảm biến ...................................55
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................56
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐỒ ÁN .................58
PHỤ LỤC ......................................................................................................................59
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 63

vi


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Robot giáo dục Trí Nhân ..................................................................................5
Hình 1.2 Nhóm nghiên cứu chế tạo cánh tay robot .........................................................6
Hình 1.3 Logo cơng ty Vulcan Augmetics ......................................................................7
Hình 1.4 Robot InMoov ................................................................................................ 10
Hình 1.5 Các mơ hình cánh tay khác .............................................................................11
Hình 2.1 Arduino Mega 2560 ........................................................................................15
Hình 2.2 Cảm biến Flex Sensor .....................................................................................21
Hình 2.3 Điện trở thay đổi theo độ cong của Flex sensor .............................................21
Hình 2.4 Sơ đồ mạch của cảm biên uốn cong ............................................................... 22
Hình 2.5 Hình nguồn tổ ong 5V – 20A .........................................................................23
Hình 2.6 Màn hình LCD 16x2 .......................................................................................24
Hình 2.7 Động cơ Servo MG966...................................................................................26
Hình 2.8 Nhựa PLA .......................................................................................................27
Hình 2.9 Giao tiếp UART giữa 2 thiết bị ......................................................................28
Hình 2.13 Phần mềm Arduino IDE ...............................................................................33
Hình 2.14 Phầm mềm Pycharm IDE .............................................................................35
Hình 2.15 Thư viện OpenCV ........................................................................................36
Hình 2.16 Phần mềm QT Designer ...............................................................................39
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống ........................................................................................40

Hình 3.2 Sơ đồ khối cảm biến .......................................................................................41
Hình 3.3 Khối xử lý trung tâm ......................................................................................41
Hình 3.4 Khối hiển thị ...................................................................................................42
Hình 3.7 Sơ đồ kết nối ...................................................................................................43
Bảng 3.1 Bảng kết nối ...................................................................................................44
Hình 3.8 Thiết kế 3D của 5 đốt ngón tay Robot............................................................ 45
Hình 3.9 Thiết kế 3D của các chi thiết bàn tay ............................................................. 46
Hình 3.10 Thiết kế 3D của chi tiết cổ tay ......................................................................46
Hình 3.11 Thiết kế 3D các chi tiết bên trong thân cánh tay ..........................................47
Hình 3.12 Thiết kế 3D các chi tiết bên ngồi thân cánh tay..........................................47
Hình 3.13 Hình ảnh lắp ráp hồn thành mơ hình thực tế ..............................................48
Hình 3.14 Hình ảnh thực tế cơng tắc nguồn ..................................................................48
Hình 3.15 Hiển thị chế độ sử dụng cảm biến uốn cong để điều khiển .......................... 49
Hình 3.16 Hiển thị chế độ điều khiển bằng phương pháp xử lý ảnh ............................. 49
Hình 4.1 Hình ảnh mơ hình hệ thống khi hồn thành ...................................................53
Hình 4.3 Hình ảnh bàn tay robot chuyển động theo bàn tay được xử lý ảnh ................54
Hình 4.4 Hình ảnh bàn tay robot chuyển động theo bàn tay gắn cảm biến uốn cong ...55

vii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Bảng kết nối ...................................................................................................44

viii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH CÁC THUẬT NGỮ

PLC

: Programmable Logic Controller (Bộ điều khiển logic có thể lập trình

AI

: Artifical Intelligence (Trí thơng minh nhân tạo)

3D

: 3-Dimension (3 chiều)

ADN

: Axit deoxyribonucleic (Vật chất di truyền của con người và hầu hết

RC

: Radio – controlled (Điều khiển bằng liên lạc vô tuyến)

ADC

: Analog to Digital Converter (Bộ chuyển đổi analog sang kỹ thuật số)

IC

: Integrated circuit (Vi mạch hay vi mạch tích hợp, hoặc mạch tích hợp)

I2C

: Inter-Integrated Circuit (Một loại bus nối tiếp hai chiều với hai dây tín

hiệu)

UART

: Universal Asynchronous Receiver-Transmitter (Bộ truyền nhận dữ liệu
nối tiếp không đồng bộ)

IDE

: Integrated Development Environment (Môi trường tích hợp dùng để
viết code để phát triển ứng dụng)

LCD

: Liquid Crystal Display (Màn hình tinh thể lỏng)

PWM

: Pulse Width Modulation (Phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải)

PLA

: Polylactic Acid (Loại nhựa nhiệt dẻo phân hủy sinh học có nguồn gốc
từ các nguồn tái tạo)

CPU

: Central Processing Unit (Bộ xử lý trung tâm)

DIY

: Do it yourself (Động từ tự làm lấy)

I/O

: Input/Output (Vào/ra)

XML

: Extensible Markup Language (Ngôn ngữ đánh dấu mở rộng)

ix


SPI

: Serial Peripheral Interface (Giao tiếp nối tiếp)

LED

: Light – Emitting Diode ( Diode phát quang)

RGB

: Red Green Blue (không gian màu phổ biến)

x


LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay chúng ta đang thấy được sự phát triển không ngừng của các nghành khoa
học kỹ thuật, các nghành công nghiệp cũng phát triển mạnh mẽ và nhanh chóng. Để tăng
năng suất, chất lượng và giảm giá thành sản phẩm thì việc áp dụng các loại máy hiện
đại vào sản xuất là một điều tất yếu và phải được cải tiến liên tục. Đồng hành cùng sự
phát triển đó, cơng nghệ chế tạo Robot cũng phát triển rất nhanh chóng. Điều này thấy
rõ nhất ở các nước phát triển khi có nhu cầu lớn về sản xuất, sinh hoạt, quốc phịng…
Những cơng việc mà con người khó thực hiện được và thậm trí khơng thực hiện được
thì Robot có thể thay thế làm được như: những cơng việc địi hỏi độ chính xác cao, làm
những cơng việc ở môi trường nguy hiểm và độc hại, làm công việc liên tục trong thời
gian dài.
Trong nghành công nghệ chế tạo Robot, việc chế tạo và sản xuất những Robot có
chức năng, hình dạng và ý thức giống như con người luôn luôn là đề tài mà các nhà khoa
học, các cơng ty chun về Robot u thích thực hiện sản xuất và đầu tư nghiên cứu. Để
hình chế tạo được một Robot giống như con người thì phải chế tạo được các bộ phận có
chức năng và hình dạng giống như các bộ phận của con người.
Nhận thấy việc tìm hiểu và nghiên cứu chế tạo bộ phận Robot tương đương với bộ
phận cơ thể con người rất thiết thực và áp dụng được những kiến thức liên quan đến
ngành học mà em đã được học. Từ đó em đã sử dụng những kiến thức hạn chế của mình
để thực hiện đề tài : “Nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển thông minh bàn tay
Robot”.

1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Đặt vấn đề
Cho đến hiện tại, thế giới chúng ta đã qua ba cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật lớn.
Thứ nhất, cách mạng cơng nghiệp 1.0 (1784) hay cịn gọi là cuộc cách mạng đầu tiên
trên thế giới đã bắt đầu cho sự xuất hiện của động cơ hơi nước [1]. Động cơ hơi nước
tác động trực tiếp đến các ngành nghề như dệt may, luyện kim, giao thông vận tải đường

bộ. Động cơ hơi nước được đưa vào ôtô, tàu hỏa, tàu thủy, mở ra một kỷ nguyên mới
trong lịch sử nhân loại. Thứ hai, cách mạng công nghiệp 2.0 (1870) là khi động cơ điện
ra đời và việc sử dụng năng lượng điện và động cơ điện để tạo ra những dây chuyền sản
xuất có tính chun mơn hóa cao, chuyển nền sản xuất cơ khí sang nền sản xuất điện –
cơ khí và sang giai đoạn tự động hóa sản xuất cục bộ mang lại cuộc sống văn minh, năng
suất tăng nhiều lần so với động cơ hơi nước [2]. Thứ ba, cách mạng công nghiệp 3.0
(1969) cong được gọi là cuộc cách mạng số (Digital Revolution) đề cập đến sự phát triển
của công nghệ, từ những thiết bị điện tử cơ khí bình thường đến cơng nghệ kỹ thuật số
hiện đại [3]. Là khi bóng bán dẫn, điện tử, kết nối thế giới liên lạc được với nhau. Vệ
tinh, máy bay, máy tính, điện thoại, Internet… là những công nghệ mà hiện nay chúng
ta đang thụ hưởng.
Hiện nay là thời đại của cách mạng cơng nghiệp 4.0, đó là sự kết hợp cao độ giữa hệ
thống siêu kết nối vật lý và kỹ thuật số với tâm điểm là internet, vạn vật kết nối (IoT) và
trí tuệ nhân tạo. Công nghệ 4.0 cung cấp phương pháp tổng thể, liên kết toàn diện hơn
cho ngành sản xuất và sẽ giải phóng con người khỏi cơng việc trí tuệ. Minh chứng của
Cơng nghệ 4.0 đó là Robot Sophia, cơ ấy là robot đầu tiên được chính phủ Saudi Arabian
cấp quyền công dân như con người [4]. Robot Sophia được tiến sĩ người Mỹ David
Hanson, nhà sáng lập công ty robot Hanson Robotics chế tạo ra tại Hong Kong, nơi mà
ông cùng gia đình đã dời đến để phát triển sự nghiệp, vì có chi phí thấp và đội ngũ kỹ
sư chất lượng. Với trí thơng minh nhân tạo vượt trội so với các thế hệ robot phổ biến
hiện nay, cụ thể là Sophia có thể mơ phỏng được hơn 62 biểu cảm khuôn mặt của con
người nhờ camera cực nhạy ở trong mắt, phối hợp phân tích của thuật tốn máy tính dựa
trên phần mềm MindCloud™ [4].

2


Hiện tại, Trung Quốc có tới 33% robot là tự sản xuất. Trong đó, Hong Kong có thể
xem là "thánh địa" của robot, cũng là nơi thu hút các kỹ sư, nhà thiết kế, công ty robot
như trường hợp Hanson Robotics.

Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điệnđiện tử và điều khiển tự động đóng vai trị hết sức quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa
học, quản lý, công nghiệp tự động hóa, cung cấp thơng tin… Do đó chúng ta phải nắm
bắt và vận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự nghiệp phát triển nền
khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điều khiển tự động
nói riêng. Với những kỹ thuật tiên tiến như vi xử lý, PLC, vi mạch số… được ứng dụng
vào lĩnh vực điều khiển.
Điều đó địi hỏi phải nghiên cứu và áp dụng những dây chuyền, máy móc và thiết bị
tiên tiến hiện đại, có khả năng tự động hóa cao để đưa cơng nghệ vào mọi lĩnh vực của
cuộc sống. Trong đó ngành cơ khí, tự động hóa và điện tử đóng một vai trị rất quan
trọng trong q trình phát triển của đất nước. Để đáp ứng nhu cầu to lớn của việc phát
triển ngành cơng nghệ kỹ thuật nói chung, địi hỏi phải có đội ngũ cán bộ, nhân viên kỹ
thuật có khả năng, đủ năng lực và trình độ chun môn để kịp thời giải quyết mọi vấn
đề liên quan đến kỹ thuật cơ khí, điện-điện tử và kỹ thuật phần mềm. Từ những thực tế
trên, là sinh viên của ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, từ những kiến thức đã
được học, em đã lựa chọn đề tài:“ Nghiên cứu xây dựng hệ thông điều khiển thông minh
bàn tay Robot”.
Các bộ phận điện tử là thuật ngữ rất phổ biến trong lĩnh vực khoa học thay thế bộ
phận trong cơ thể sống, bằng một thiết bị cơ điện tử hay máy. Những thứ mang sự sống
kết hợp với máy móc là điều tất yếu. Đặc biệt là về q trình tiến hóa của bộ phận điện
tử cho những người bị mất đi một hay một vài bộ phận nào đó trong cơ thể hoặc thay
thế cơ thể con người làm những việc mà con người không nên tiếp xúc có tính chất nguy
hiểm.
Việc tạo ra một hệ thống như vậy để thay thế con người trong công việc và cuộc
sống là vấn đề hết sức cần thiết.

3


1.2. Tổng quan về các cơng trình nghiên cứu liên quan
1.2.1. Giới thiệu về robot

Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Séc robota, có nghĩa là “lao động cưỡng bức”.
Năm 1921, từ “Robot” xuất hiện lần đầu trong vở kịch “Rosum’s Universal Robots ”
của nhà viết kịch viễn tưởng người Séc, Karel Capek [5].
Các nguyên tắc trên sau này trở thành nền tảng cho việc thiết kế robot:
Khía cạnh nhân văn và khía cạnh khoa học - kỹ thuật của việc sản sinh ra robot thống
nhất ở một điểm: thực hiện hoài bão của con người là tạo ra thiết bị thay thế mình trong
những hoạt động khơng thích hợp với mình như:
Các cơng việc lặp đi lặp lại, nhàm chán, nặng nhọc: vận chuyển nguyên vật liệu, lắp
ráp, lau cọ nhà…
Trong môi trường khắc nghiệt, hoặc nguy hiểm: như ngồi khoảng khơng vũ trụ,
trên chiến trường, dưới nước sâu, trong lịng đất, nơi có phóng xạ, nhiệt độ cao…
Những việc địi hỏi độ chính xác cao như thơng tắc mạch máu hoặc các ống dẫn
trong cơ thể, lắp ráp các phần tử trong vi mạch…
Lĩnh vực ứng dụng của robot rất rộng và ngày càng được mở rộng thêm. Ngày nay,
khái niệm về robot đã mở rộng hơn khái niệm nguyên thủy rất nhiều. Sự phỏng tác về
kết cấu, chức năng, dáng vẻ của con người là cần thiết nhưng khơng cịn ngự trị trong
kỹ thuật robot nữa. Kết cấu của nhiều con robot khác xa với kết cấu các bộ phận của cơ
thể người và chúng cũng có thể thực hiện được những việc vượt xa khả năng của con
người.
Bên cạnh đó con người cũng đang hướng đến việc chế tạo ra những con Robot có
cơ cấu cũng như hình dáng giống với con người nhằm thực hiện những cơng việc địi
hỏi sự uyển chuyển của đơi tay cũng như những cơng việc bình thường của con người
mà những cánh tay máy bình thường khó có thể thực hiện được.

4


Ngoài ra con người đang hướng tới tạo ra những thiết bị hỗ trợ cũng như thay thế
các bộ phận bị mất của con người có cấu trúc cũng như chức năng tương tự với bộ phân
đã mất đó nhằm giúp cho con người có thể có được những sinh hoạt bình thường.

Thành phần cấu tạo của Robot, các bộ phận chính bao gồm:
Các bộ phận điều khiển: Mạch điều khiển, cảm biến …
Nguồn năng lượng: Ắc quy, pin, điện một chiều.
Các bộ phận thực hiện: Động cơ, xi- lanh,...
Truyền thơng: Truyền phát tín hiệu từ các modul truyền thơng điều khiển hoạt động
của Robot.
1.2.2. Trong nước
Người máy AI được chế tạo tại Việt Nam – Robot Trí Nhân lần đầu tiên được
giới thiệu trước cơng chúng.

Hình 1.1 Robot giáo dục Trí Nhân

Được thiết kế, chế tạo bởi Nhà khoa học, chuyên gia về Trí tuệ nhân tạo Phạm Thành
Nam, Trí Nhân là một robot có kích thước như một nam giới trưởng thành, được in 3D

5


với năm giác quan và các yếu tố mô phỏng sinh học như tim phổi nhân tạo và chuỗi
AND [6].
Theo ghi nhận của những người đã từng có cơ hội chiêm ngưỡng và trực tiếp trao
đổi với robot, hầu hết trong các lĩnh vực Tri Nhân đều có thể hiểu và trả lời các câu hỏi
liên quan, đặc biệt là trong lĩnh vực liên quan đến tốnh học [6]. Ngồi ra robot cịn có
thể đọc truyện, thơ, trở thành thơng dịch viên, sử dụng những câu cảm thán để tương
tác, câu nói đùa để tạo ra tiếng cười với mọi người…
Hiện tại Tri Nhân chưa được chế tạo có thể tự bước đi, kết cấu hai cánh tay còn khá
yếu và chưa thể tạo ra biểu cảm khuôn mặt, nhưng các nhà sáng tạo Trí Nhân nhận định,
robot này trong tương lai sẽ vượt lên Robot Sophia và sẽ cho robot Trí Nhân hoạt động
phổ biến rộng rãi ở nhiều lĩnh vực khác chứ không dừng lại ở lĩnh vực giáo dục như y
tế, ngân hàng… Và tất nhiên chi phí để sản xuất của Trí Nhân rất cao, để hồn thiện hơn

thì cũng có rất nhiều điều cần phải làm.
Ý tưởng sáng tạo của nhóm sinh viên Việt Nam: Tạo cánh tay robot cho người
khuyết tật

Hình 1.2 Nhóm nghiên cứu chế tạo cánh tay robot

6


Để chế tạo cánh tay robot sử dụng công nghệ sóng não, nhóm xây dựng mơ hình
gồm 3 phần: Cơ khí hóa cánh tay, có khoảng 24 chi tiết; mạch điều khiển dùng mô đun
bluetooth, vi xử lý điều khiển, động cơ hoạt động; thiết bị tai nghe thu nhận sóng não
[7].
Nhóm dự định sau khi điều khiển ổn định sẽ dùng phương pháp xử lý ảnh để hỗ trợ
cánh tay phân tích những loại vật dụng khác nhau, qua đó có thể giúp cánh tay đưa ra
lực phù hợp để cầm, nắm.
Có thể thấy, sản phẩm của nhóm sinh viên này nếu hồn thiện về tính năng, hình
thức và được thương mại hóa thành cơng sẽ giúp người khuyết tật có được những cánh
tay kỳ diệu, thiết thực góp phần cải thiện, nâng cao chất lượng sống, hòa nhập tốt hơn
với cộng đồng.
Công ty Vulcan Augmetics
Thành lập tháng 7/2018, Vulcan Augmetics là start-up duy nhất đến từ Đông Nam
Á và là 1 trong 2 đại diện đến từ các nước đang phát triển. Về mơ hình kinh doanh,
Vulcan Augmetics là start-up duy nhất hoạt động trong mảng công nghệ phần cứng và
phục vụ cho cộng đồng người khuyết tật [8].

Hình 1.3 Logo cơng ty Vulcan Augmetics

7

1.2.3. Ngoài nước
Những robot đầu tiên được đưa vào nghiên cứu, ứng dụng là những tay máy. Vào
năm 1948 hãng General Mills chế tạo tay máy có cơ cấu tác động là những động cơ điện
kết hợp với cữ hành trình. Đến năm 1954, tiếp tục phát triển tay máy sử dụng động cơ
servo và có thể nhận biết được lực tác dụng lên khâu cuối, nhờ đó mà vào năm 1956
hãng General Mills cho ra đời tay máy hoạt động trong việc khảo sát đáy biển.
Năm 1968, General Electric, Robot có 4 chân nặng 1400 kg sử dụng động cơ đốt
trong và có cơng suất 100 Hp.
Năm 1969, robot Shakey nhận dạng hình ảnh bằng camera.
Năm 1970, xe tự hành thám hiểm mặt trăng Lunokhod 1 được điều khiển từ Trái
Đất.
Năm 1976, cánh tay robot đầu tiên được đưa lên tàu thám hiểm Viking của NASA
trên sao Hỏa.
Sophia (robot)
Sophia là một Robot mang hình dạng giống con
người được thiết kế và phát triển bởi công ty công
nghệ Mỹ Hanson Robotics có trụ sở đặt tại Hồng
Kơng. Sophia được kích hoạt lần đầu tiên vào ngày
19 tháng 4 năm 2015, xuất hiện lần đầu tại Liên hoan
South By Southwest - sự kiện thường niên tổ chức
tại thành phố Austin thuộc tiểu bang Texas (quê nhà
của Hanson Robotics) vào trung tuần tháng 3 hằng
năm với các sự kiện lớn về công nghệ cao, âm
nhạc hoặc điện ảnh [4].
Sophia được thiết kế để suy nghĩ và cử động sao cho giống với con người nhất đồng
thời được trang bị trí tuệ thơng minh nhân tạo. Mục đích chế tạo Sophia; theo nhà sản
xuất; là nhằm phát minh ra một robot có ý thức, có sự sáng tạo và có khả năng hoạt động
như bất kỳ con người nào để giúp đỡ chính con người trong các vấn đề cuộc sống thường

8


ngày như: phục vụ chăm sóc sức khỏe, hỗ trợ điều trị y tế, giáo dục cùng nhiều các dịch
vụ khác.
Ngày 19 tháng 4 năm 2015, Sophia được kích hoạt để hoạt động, Sophia được lấy
cảm hứng từ minh tinh người Anh Audrey Hepburn với vẻ đẹp cổ điển bao gồm: làn da
trắng sứ, sống mũi thon gọn, gò má cao, nụ cười hấp dẫn và đôi mắt biểu cảm thay đổi
màu sắc theo ánh sáng [4].
Ngày 25/10/2017, Sophia được cơng nhận là robot đầu tiên trong lịch sử có đầy đủ
quyền công dân tại một đất nước là Ả-rập Saudi. Sophia được phát triển bởi Hanson
Robotics, do AI David Hanson đứng đầu [4].
Sophia khá nổi tiếng và từng xuất hiện tại nhiều hội nghị lớn như Diễn đàn Kinh tế
Thế giới. Cô sở hữu một hộp sọ bằng nhựa, trông không bắt mắt nhưng thực sự thông
minh. Cơ chế máy học có thể lưu trữ rất nhiều đoạn hội thoại, cố gắng phân tích chúng
để đưa ra câu trả lời sống động theo thời gian thực
Sophia cũng có camera và AI để “tương tác bằng mắt” và nhận ra con người. Robot
này cịn có tính năng nhận diện giọng nói và ngày càng thơng minh khi trị chuyện với
con người.
Sophia có làn da như da người thật được làm từ silicon cao cấp. Robot này được tạo
hình như một phụ nữ. Đôi mắt được trang bị máy ảnh video cho phép thực hiện giao
tiếp bằng mắt. Sophia có thể nhận ra con người và học hỏi từ những gì nhìn thấy. Ngồi
cơng nghệ tiên tiến cho phép Sophia giao tiếp với con người, Robot này cịn có thể thể
hiện 62 nét mặt sắc thái biểu cảm khác nhau trên khn mặt. Chức năng chính của
Sophia là trị chuyện với con người.
Phần mềm của Sophia được cấu thành từ ba phần: Trí tuệ ở mức rất cơ bản (trả lời
những câu hỏi đơn giản), khả năng diễn thuyết với văn bản được nạp sẵn, kết hợp thuật
toán để ngắt nối câu từ sao cho hợp lý. Cuối cùng là một hệ thống sử dụng chatbot kết
hợp với cơ khí, giúp Sophia có thể nhìn ai đó, lắng nghe họ để lọc ra những "từ khóa"
và ngữ nghĩa, sau đó lựa chọn những câu trả lời được soạn sẵn để phát ngôn. Sophia chỉ

9


có thể trả lời những câu hỏi khi được kết nối với Internet, máy tính và chỉ giới hạn trong
những thơng tin mình có được.
Mặc dù được thiết kế khá cầu kỳ cũng như trang bị nhiều công nghệ tiên tiến, tuy
nhiên, Sophia vẫn bị giới công nghệ đánh giá chỉ đơn thuần là một hệ thống chatbot với
những thông tin giới hạn, sẵn có trong bộ nhớ.
Robot được “in” bằng máy in 3D ( INMOOV)
InMoov là một robot mã nguồn mở được chế tạo bằng máy in 3D, robot này có thể
điều khiển bằng giọng nói. Với bề ngồi "mỏng manh" tương xứng với giá của nó. Xuất
hiện tại tại triển lãm CES 2013 ngoài ván trượt, hoa hay hộp số được in bằng máy in
3D cịn có những kế hoạch để in mọi thứ từ bộ phận cơ thể cho tới các cơng trình xây
dựng [8]. Vì vậy việc in robot bằng công nghệ in 3D chỉ là vấn đề thời gian.
InMoov là một robot dáng người tỷ lệ thật làm từ các bộ phận được in bằng máy in 3D.
Được thiết kế và chế tạo bởi Gael Langevin - Pháp, InMoov bắt đầu khởi động từ năm
ngoái với một bàn tay và sau đó là cánh tay. Hiện giờ robot này đã có 2 tay và đầu hồn
chỉnh.

Hình 1.4 Robot InMoov

Robot được thiết kế bằng phần mềm thiết kế Blender, sử dụng phần mềm điều khiển
dành cho robot MyRobotLab, sử dụng board mạch Arduino kết nối các thiết bị ngoại.

10


Mặc dù hình dáng bề ngồi cịn hơi "cứng" nhưng điều này có thể dễ dang thay đổi. Hãy
cùng xem điệu bộ của robot đáp ứng lệnh điều khiển bang giọng nói trong video phía

dưới [8].
Hiện tại, việc sản xuất các bộ phận robot cần ít nhất 900 đơ la, không bao gồm phần
thân trên và đầu cũng như máy in 3D. Tuy nhiên cũng rất rẻ so với một robot dáng người
thông thường lên tới hàng chục ngàn đô la.
Những mơ hình bàn tay Robot đã hồn thành
Hiện nay với sự phát triển của các linh kiện điện tử, cơng nghệ in 3D và kĩ thuật
gia cơng cơ khí nên khơng khó để chế tạo, lắp ráp ra một bàn tay robot. Các sản phẩm
bàn tay robot xuất hiện ngày càng nhiều hơn với công nghệ, sự linh hoạt cao và có tính
thẩm mỹ. Tuy nhiên, để hồn thiện giống với bàn tay thật của con người, có sự linh hoạt
trong kết cấu và đồng bộ như bàn tay con người thì các mơ sản phẩm bàn tay robot chưa
thể đáp ứng được điều đó.

Hình 1.5 Các mơ hình cánh tay khác

11


Các bàn tay Robot hiện nay với sự hoàn thiện tương đối đã dần được đưa vào cuộc
sống của cong người như: thay thế bàn tay cho người khuyết tật, hỗ trợ phục hồi chức
năng, thay thế con người làm những cơng việc độc hại nguy hiểm… Nhằm mục đích
tìm hiểu các cơng nghệ bàn tay Robot đã có hiện nay và nghiên cứu các tính mới nên
em đã chọn đối tượng nghiên cứu trong đề tài là bàn tay Robot.
1.3. Mục tiêu đề tài
Đồ án này đi thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển thông minh bàn tay Robot. Hệ
thông này bao gồm hai phương pháp điều khiển đó là điều khiển bằng cơng nghệ xử lý
ảnh và điều khiển bằng cảm biến độ cong Flex sensor. Điều khiển bằng phương pháp
xử lý ảnh sẽ có thêm giao diện điều khiển được thiết kế trên phần mềm QT Designer và
sử dụng ngơn ngữ lập trình Python. Bộ điều khiển này được đề xuất để điều khiển ban
tay Robot thay thế bàn tay con người sử trong những công việc mang tính chất nguy
hiểm, ảnh hướng khi phải tiếp xúc bằng bàn tay thật của con người. Mục tiêu đề tài đang

hướng đến cần giải quyết được các vấn đề sau:
• Mơ hình bàn tay robot chuyển động theo cử chỉ chuyển động của con người.
• Điều khiển bàn tay robot cầm nắm được một số vật thể theo yêu cầu.
• Bàn tay đảm bảo chuyển động theo đúng sự chuyển động của cánh tay người.
• Sử dụng các kiến thức đã được học trên lớp liên quan đến cơng nghệ cơ khí, truyền
động cơ khí, vật liệu kỹ thuật, robot công nghiệp, kỹ thuật điện, công nghệ chế tạo
máy và vi xử lý để xây dựng hoàn chỉnh mơ hình cánh tay Robot.
• Phần cơ dựa trên ý tưởng từ kết cấu của một cánh tay người thật sự để thiết kế nên
bản vẽ hoàn chỉnh và sử dụng cơng nghệ in 3D để tạo ra mơ hình.
• Phần chuyển động của cánh tay chọn động cơ servor RC. Vì động cơ servo nhỏ gọn
và truyền dẫn động có độ chính xác cao.
• Bộ điều khiển trung tâm sử dụng board mega 2560.
• Sử dụng cảm biến độ cong để điều khiển các động cơ ở ngón tay.
• Ứng dụng công nghệ xử lý ảnh thật để điều khiển bàn tay.

12


CHƯƠNG 2. THIẾT BỊ VÀ GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ
2.1. Bộ điều khiển
Trong những thập niên cuối thế kỉ XX, từ sự ra đời của công nghệ bán dẫn, kĩ thuật
điện tử đã có sự phát triển vượt bậc. Các thiết bị điện tử sau đó đã được tích hợp với mật
độ cao và rất cao trong các diện tích nhỏ, nhờ vậy các thiết bị điện tử nhỏ hơn và nhiều
chức năng hơn [9]. Các thiết bị điện tử ngày càng nhiều chức năng trong khi giá thành
ngày càng rẻ hơn, chính vì vậy điện tử có mặt khắp mọi nơi .
Bước đột phá mới trong công nghệ điện tử, công ty trẻ tuổi Intel cho ra đời bộ vi xử
lý đầu tiên. Đột phá ở chỗ: "Đó là một kết cấu logic mà có thể thay đổi chức năng của
nó bằng chương trình ngồi chứ khơng phát triển theo hướng tạo một cấu trúc phần cứng
chỉ thực hiện theo một số chức năng nhất định như trước đây” [9].
Tức là phần cứng chỉ đóng vai trị thứ yếu, phần mềm (chương trình) đóng vai trị

chủ đạo đối với các chức năng cần thực hiện. Nhờ vậy vi xử lý có sự mềm dẻo hóa trong
các chức năng của mình. Ngày nay vi xử lý có tốc độ tính tốn rất cao và khả năng xử
lý rất lớn.
Vi xử lý có các khối chức năng cần thiết để lấy dữ liệu, xử lý dữ liệu và xuất dữ liệu
ra ngoài sau khi đã xử lý. Và chức năng chính của vi xử lý chính là xử lý dữ liệu, chẳng
hạn như cộng, trừ, nhân, chia, so sánh.v.v..... [10] Vi xử lý khơng có khả năng giao tiếp
trực tiếp với các thiết bị ngoại vi, nó chỉ có khả năng nhận và xử lý dữ liệu mà thôi.
Để vi xử lý hoạt động cần có chương trình kèm theo, các chương trình này điều
khiển các mạch logic và từ đó xử lý các dữ liệu cần thiết theo yêu cầu. Chương trình là
tập hợp các lệnh để xử lý dữ liệu thực hiện từng lệnh được lưu trữ trong bộ nhớ, công
việc thực hành lệnh bao gồm: nhận lệnh từ bộ nhớ, giải mã lệnh và thực hiện lệnh sau
khi đã giải mã [9,10].
Để thực hiện các công việc với các thiết bị cuối cùng, chẳng hạn điều khiển động
cơ, hiển thị kí tự trên màn hình .... địi hỏi phải kết hợp vi xử lý với các mạch điện giao
tiếp với bên ngoài được gọi là các thiết bị I/O (nhập/xuất) hay còn gọi là các thiết bị
ngoại vi [9]. Bản thân các vi xử lý khi đứng một mình khơng có nhiều hiệu quả sử dụng,

13


nhưng khi là một phần của một máy tính, thì hiệu quả ứng dụng của vi xử lý là rất lớn.
Vi xử lý kết hợp với các thiết bị khác được sử trong các hệ thống lớn, phức tạp đòi hỏi
phải xử lý một lượng lớn các phép tính phức tạp, có tốc độ nhanh. Chẳng hạn như các
hệ thống sản xuất tự động trong công nghiệp, các tổng đài điện thoại, hoặc ở các robot
có khả năng hoạt động phức tạp v.v...
Bộ vi xử lý có khả năng vượt bậc so với các hệ thống khác về khả năng tính tốn,
xử lý, và thay đổi chương trình linh hoạt theo mục đích người dùng, đặc biệt hiệu quả
đối với các bài toán và hệ thống lớn.Tuy nhiên đối với các ứng dụng nhỏ, tầm tính tốn
khơng địi hỏi khả năng tính tốn lớn thì việc ứng dụng vi xử lý cần cân nhắc. Bởi vì hệ
thống dù lớn hay nhỏ, nếu dùng vi xử lý thì cũng địi hỏi các khối mạch điện giao tiếp

phức tạp như nhau [10]. Các khối này bao gồm bộ nhớ để chứa dữ liệu và chương trình
thực hiện, các mạch điện giao tiếp ngoại vi để xuất nhập và điều khiển trở lại, các khối
này cùng liên kết với vi xử lý thì mới thực hiện được công việc. Để kết nối các khối này
đòi hỏi người thiết kế phải hiểu biết tinh tường về các thành phần vi xử lý, bộ nhớ, các
thiết bị ngoại vi. Hệ thống được tạo ra khá phức tạp, chiếm nhiều không gian, mạch in
phức tạp và vấn đề chính là trình độ người thiết kế. Kết quả là giá thành sản phẩm cuối
cùng rất cao, không phù hợp để áp dụng cho các hệ thống nhỏ.
Vì một số nhược điểm trên nên các nhà chế tạo tích hợp một ít bộ nhớ và một số
mạch giao tiếp ngoại vi cùng với vi xử lý vào một IC duy nhất được gọi là vi điều khiển
- Microcontroller . Vi điều khiển có khả năng tương tự như khả năng của vi xử lý, nhưng
cấu trúc phần cứng dành cho người dùng đơn giản hơn nhiều. Vi điều khiển ra đời mang
lại sự tiện lợi đối với người dùng, họ không cần nắm vững một khối lượng kiến thức quá
lớn như người dùng vi xử lý, kết cấu mạch điện dành cho người dùng cũng trở nên đơn
giản hơn nhiều và có khả năng giao tiếp trực tiếp với các thiết bị bên ngoài [9]. Vi điều
khiển tuy được xây dựng với phần cứng dành cho người sử dụng đơn giản hơn, nhưng
thay vào lợi điểm này là khả năng xử lý bị giới hạn (tốc độ xử lý chậm hơn và khả năng
tính tốn ít hơn, dung lượng chương trình bị giới hạn). Thay vào đó, Vi điều khiển có
giá thành rẻ hơn nhiều so với vi xử lý, việc sử dụng đơn giản, do đó nó được ứng dụng
rộng rãi vào nhiều ứng dụng có chức năng đơn giản, khơng địi hỏi tính tốn phức tạp
[9, 10].

14