NGHIÊN cứu THIẾT kế CHẾ tạo ROBOT TIẾP tân

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ 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
; ;
TÓM TẮT
Bài báo đề xuất thiết kế và phát triển một dạng robot tiếp tân - robot dịch vụ - nhiệm vụ
của robot này là tự di chuyển, tự định vị được vị trí của mình bằng cách lập nên bản đồ trong
không gian làm việc, và trong quá trình di chuyển robot sẽ tránh được vật cản cố định và di
động. Ngoài ra robot còn có thể giao tiếp, cung cấp thông tin cho người dùng thông qua màn
hình và 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.
1. GIỚI THIỆU
Trong thời đại mà các thành tựu khoa học kỹ thuật phát triển không ngừng, chất lượng
cuộc sống ngày càng được nâng cao hơn nhờ các thiết bị tích hợp trí thông minh nhân tạo.
Máy móc đang dần thay thế con người, đặc biệt là robot. Trong thế kỷ XXI, chất lượng sống
con người sẽ càng được nâng cao, các công việc đơn giản, nhàm chán hoặc dơ bẩn sẽ được
thay thế bởi các máy móc tự động, vì thế đây là thời điểm phát triển vượt bậc của công nghệ
robot đặc biệt là robot dịch vụ.

Hình 1: Robot dịch vụ của FUJITSU
217

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Robot dịch vụ là một chủ đề rất rộng và nó được xem như là một lĩnh vực lớn chưa
được phổ biển rộng rãi trên thị trường. Robot phục vụ các ứng dụng từ chăm sóc, vệ sinh nhà
cửa đến các hoạt động phức tạp hơn đòi hỏi sự chính xác và khéo léo hơn như: việc vận
chuyển người bệnh trong bệnh viện, vận chuyển thuốc,… Các ứng dụng của robot dịch vụ
hoạt động trong văn phòng, trường học, siêu thị không được nghiên cứu rộng rãi và bài báo
này sẽ mở rộng kiến thức về lĩnh vực này.
Việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot dịch vụ ứng dụng vào thực tế cuộc sống là
một điều rất cần thiết, nhất là trong việc tiếp cận làm chủ được công nghệ robot ở nước ta hiện
nay. Phát triển robot dịch vụ sẽ góp phần vào việc nâng cao chất lượng cuộc sống, hiệu quả
làm việc, tạo nền tảng ban đầu cho việc phát triển robot dịch vụ cũng như tiền đề vững chắc
cho việc nghiên cứu và học tập về công nghệ robot dịch vụ. Đối tượng nghiên cứu là robot
dịch vụ có hình dáng con người được đặt trong môi trường là đại sảnh trường học, văn phòng,
khách sạn đông người qua lại, yêu cầu đặt ra cho robot là phải tự di chuyển, nhận biết tự tránh
vật cản, nhận biết được con người từ đó cơ bản có thể giao tiếp, hướng dẫn và cung cấp thông
tin về vị trí phòng ban hoặc các vấn đề mà người dùng quan tâm.
2. THIẾT KẾ CƠ KHÍ VÀ PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC[1,2]
2.1. Thiết kế robot
Phần cơ khí robot gồm có cơ cấu di chuyển và thân robot. Phần khung của robot có kết
cấu như Hình 2, được chế tạo bằng hợp kim nhôm nhằm giảm thiểu tối đa trọng lượng cho
robot mà vẫn đảm bảo độ cứng vững cho toàn bộ kết cấu. Phần khung chia làm hai tầng:
Tầng 1: chứa cơ cấu di chuyển là 2 động cơ và bánh xe với nguồn năng lượng của robot
do đó trọng tâm robot sẽ được hạ thấp, đồng thời tầng 1 cũng sẽ chịu toàn bộ trọng lượng robot.
Tầng 2: chứa bộ điều khiển trung tâm cùng các mạch điện điều khiển.

Hình 2: Kết cấu phần khung của robot
Phần vỏ robot được thiết kế dạng người có hình dáng thân thiện với người sử dụng –
Hình 3 - bao gồm phần đầu được trang bị RPLiDAR có thể quét 3600 để phát hiện người hoặc

vật cản và dựng lên một bản đồ ảo cho robot di chuyển, loa để phát ra “tiếng nói” của robot.
Phần thân được trang bị camera Kinect 360 với nhiệm vụ là nhận diện khuôn mặt để bắt đầu
tương tác giữa người với robot, có thể phân biệt được người quen khi có được ảnh của người
đó, phân tích được cảm xúc để dễ dàng tương tác hơn.
218


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 3: Thiết kế hoàn chỉnh của 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 trong không gian, phải xác định vị trí robot trong
mặt phẳng. Do đó cần xây dựng mối quan hệ giữa tọa độ tham chiếu toàn cục (Oxy) và hệ tọa
độ tham chiếu cục bộ (Pxmym )gắn liền với robot. Điểm P coi là tâm dịch chuyển robot, dùng
để xác định vị trí robot. Như vậy điểm P trong hệ tọa độ toàn cục được xác định bởi tọa độ x,
y. Gọi các thông số hình học của robot:
∆S1: đoạn dịch chuyển của bánh trái.
∆S2: đoạn dịch chuyển của bánh phải.
∆ω1: vận tốc góc của bánh trái.
∆ω2: vận tốc góc của bánh phải.
r: bán kính mỗi bánh xe.
L: khoảng cách giữa hai bánh xe.
I: tâm quay tức thời robot là điểm vô cùng trên mặt phẳng.
∆φ: góc quay của robot so với tâm quay tức thời.
219


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ 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 của bánh trái.
RP + L/2: bán kính mô tả chuyển động cong của bánh phải.
Đoạn dịch chuyển của bánh trái và phải:
∆S1 = ∆ω1.r

(1)

∆S2 = ∆ω2.r
Từ các tam giác đồng dạng tạo ra bởi quỹ đạo chuyển động robot suy ra bán kính cong
và góc dịch chuyển của tâm robot tới tâm vận tốc tức thời I theo công thức:
L(∆S + ∆S )

RP = 2(∆S2 − ∆S1)
2

∆φ = arcsin (

(2)

1

∆S2 − ∆S1
L

)≈

∆S2 − ∆S1
L

(3)

Xét hai chuyển động của 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 là lượng dịch chyển của robot so với hệ trục gắn trên nó.
∆x = RP.sin∆φ; ∆y = RP(1 - cos∆φ )
∆X , ∆Y lượng dịch chuyển của robot theo 2 phương gắn với hệ tọa độ gốc:
[

∆x
∆X
]=[
∆y
∆Y

−∆y cos∆φ
][
]
∆x sin∆φ

(4)

Vị trí của robot được xác định bằng tọa độ gốc của P(Xp, Yp) + góc định hướng φP, tọa
độ tại thời điểm thứ i được xác định như sau:
φ𝑃(𝑖)
φ𝑃(𝑖−1)
∆φ𝑃(𝑖)
[ 𝑋𝑃(𝑖) ] = [ 𝑋𝑃(𝑖−1) ] + [ ∆𝑋𝑃(𝑖) ]
(5)

𝑌𝑃(𝑖)
𝑌𝑃(𝑖−1)
∆𝑌𝑃(𝑖)
3. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN [3-5]
Đối với robot tự hành, vấn đề di chuyển là rất quan trọng, việc kết hợp tốt toàn bộ hệ
thống cảm biến đo lường, cảm biến tương tác với môi trường sẽ giúp cho robot có nhiều giải
thuật di chuyển, tự định vị vị trí tốt hơn trong môi trường hoạt động. Ngoài ra, để cho robot có
thể tương tác với con người cũng đòi hỏi sự tương tác trao đổi và xử lý tính hiệu giữa các cảm
biến, bộ điều khiển trung tâm phải kết hợp với nhau một cách chặt chẽ. Hệ thống điều khiển
của robot được thiết kế gồm 2 module là Slam và Vision Module.
Slam module là khối cảm biến giúp robot di chuyển và xác định vị trí trong môi trường
làm việc bao gồm: cảm biến siêu âm giúp robot có thể xác định được chướng ngại vật để né
tránh, trên robot sẽ được tích hợp 5 cảm biến siêu âm để robot có thể nhận biết được chướng
ngại vật phía trước và hai bên, từ đó sẽ né tránh vật cản theo giải thuật fuzzy. Hệ thống cảm
biến encoder trên động cơ sẽ giúp xác định vị trí của robot và 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 được tất cả vật cản xung quanh, xây dựng lên một bản đồ ảo về môi trường làm việc
từ đó xác định vị trí robot trong không gian làm việc. Tất cả các cảm biến này đều được kết
nối với hệ thống máy tính với vai trò như bộ điều khiển của robot được trình bày như Hình 5.
220


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 5: Slam Module xác định vị trí và xây dựng bản đồ
Robot còn thực hiện chức năng giao tiếp với con người thông qua việc thu nhận hình
ảnh âm thanh từ đối tượng giao tiếp từ đó xuất tín hiệu phản hồi thông qua loa phát âm thanh
và màng hình LCD với Vision Module như Hình 6.

Hình 6: Vision Module giao tiếp và nhận dạng đối tượng
Cấu trúc hệ thống điều khiển của robot như Hình 7, đầu tiên bộ phận giao tiếp tương tác
đối tượng, sau khi nhận biết có đối tượng tiếp xúc thông qua camera hoặc màng hình LCD bộ
xử lý trung tâm sẽ tiếp nhận thông tin từ hình ảnh camera truyển về cùng hệ thống cảm biến
định vị làm cho robot dừng lại và tiếp nhận các thông tin tiếp theo từ đối tượng giao tiếp bao
gồm cả âm thanh và hình ảnh. Sau đó, bộ xử lý sẽ xuất các tính hiệu trả lời tương ứng qua
phương diện cả âm thanh lẫn hình ảnh cho đối tượng giao tiếp, nếu trường hợp robot không
hiểu yêu cầu của đối tượng giao tiếp robot sẽ từ chối trả lời – Hình 8 [6].

Hình 7: Sơ đồ tổng thể cấu trúc của Robot
221


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 8: Sơ đồ chức năng
4. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
Bảng 1: Thông số cơ bản robot
STT

Đặc tính

Thông số

1

Chiều cao

1600 mm

2

Khối lượng

50 kg

3

Vật liệu

Vỏ nhựa composite – khung nhôm

4

Bánh xe

2 bánh xe dẫn động chính (D =100mm), 2 bánh xe tự lựa

5

Truyền thông

Wireless, Internet

6

Camera

Kinect 360

7

Màn hình

LCD 19 inch

8

Cảm biến

IR Sensor, FS Sensor, LIDAR,MPU6050

9

Nền tảng

Win 7 OS

10

Năng lượng

Acquy 50Ah x 1

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 cơ

35W x 2
222


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Robot dịch vụ được thiết kế và chế tạo với cấu trúc như Hình 9. Bảng 1 là các thông số
kỹ thuật của robot. Trong phần thực nghiệm, robot được cho hoạt động để đánh giá các chức
năng thiết kế: nhận diện đối tượng, di chuyển tự hành tránh vật cản, giao tiếp bằng âm thanh.

RPLiDA
R
Loa

Màng hình
cảm ứng

Camera

Micro

Cảm biến
siêu âm

Hình 9: Hệ thống cảm biến trên robot

Hình 10: Giao diện chương trình chính
Hình 10 là giao diện điều khiển chính của Robot, Hình 11 là giao diện nhận diện khuôn
mặt người, ở chức năng nhận diện và dự đoán cảm xúc, robot có thể nhận diện khi có người
đến giao tiếp và dự đoán cảm xúc của người đang tiếp xúc khá chính xác, bao gồm các trạng
thái vui, buồn, ngạc nhiên, giận dữ [7].

Hình 11: Giao diện nhận diện cảm xúc
223


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
5. KẾT LUẬN
Robot tiếp tân cơ bản đã được thiết kế và chế tạo thành công, các yêu cầu về tránh vật
cản, xác định vị trí trong không gian, giao tiếp tương tác với con người hoạt động khá ổn định
trong quá trình thực nghiệm. Giải thuật điều khiển đã giải quyết được bài toán tránh vật cản,
bài toán xác định vị trí. Phần nhận diện xử lý ảnh làm việc ổn định trong điều kiện ánh sáng
tốt. Giao diện giao tiếp thân thiện, dễ sử dụng.
Với kết quả ban đầu cho thấy có thể phát triển hoàn thiện một robot dịch vụ ứng dụng
trong việc tiếp tân, hướng dẫn ở các văn phòng một cách tự động. Bước tiếp theo có thể nâng
cấp các giải thuật điều khiển giúp robot di chuyển thông minh hơn, đáp ứng nhanh hơn. Hoàn
chỉnh chức năng giao tiếp bằng giọng nói lưu loát, biểu hiện cảm xúc bản thân hoàn thiện hơn
khả năng giao tiếp với con 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 chính 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